Jak optimalizovat tvar převodovky bez nákladného prototypování?

Vytvořeno dne 3. 8. 2021

 

Mazání převodovek pod drobnohledem simulace

Image
SVS FEM simulace Ansys

Až do éry numerických simulací měly společnosti jako IGW velmi omezené možnosti, jak nahlédnout za plného provozu dovnitř převodovek a hodnotit chování proudícího a rozstřikujícího se oleje. Jedinou cestou bylo použití skleněných průhledných krytů. Často návrh vycházel z praktických zkušeností a ze spousty hodin testování na fyzických modelech. To ovšem není efektivní způsob, jak odhalit ožehavá místa. Pro správný chod převodovky je velmi důležité její efektivní mazání a aby nedocházelo k nadměrnému opotřebení ozubených kol či k jejímu zadření. Hlavním požadavkem na simulaci mazání převodovek IGW bylo tedy určit, jakým způsobem se distribuuje olej v prostoru jednotlivých převodů a jestli jsou olejem dostatečně zásobována ložiska.

Specifikace problému mazání převodovek

Zástupci společnosti IGW nás oslovili v souvislosti s využitím simulace pro svá převodová ústrojí kolejových vozidel. Jednalo se o jeden převodový stupeň s mazáním rozstřikem oleje při otáčkách pastorku až 1500 ot/min. Převodová skříň měla několik sběrných kanálků pro gravitační dopravu oleje na požadovaná místa a další prvky pro usměrňování proudícího oleje.

Pokud je během testů lubrikace odhalen neřešitelný problém, musí dojít ke změně odlitku. Tím rostou náklady na opakovanou výrobu forem, vzorků a čas strávený opětovným testováním. Protože simulace mohou být provedeny již ve fázi návrhu, mnoho společností může tak díky použití simulačního software ušetřit nemalé finanční prostředky. Stejně tak i IGW.

igw

IGW je mezinárodní strojírenská společnost s více než dvacetiletou tradicí. Vlaky, metra a tramvaje s převodovkami od této společnosti jezdí po celém světě. IGW zaměstnává téměř 300 lidí.

Cesta k nalezení řešení

S příchodem nových metod v oblasti numerických simulacích se situace mění a my máme možnost i pro složitá převodová soukolí predikovat chování oleje a jeho interakci jak s převodovou skříní, tak i s ozubenými koly a ložisky. Dokážeme si poradit s tradičními jedno i vícestupňovými převody, s planetovou převodovkou, s nuceným oběhem oleje pomocí čerpadla i s mazáním za pomoci brodění nebo rozstřiku bez nutnosti externího olejového hospodářství.

Výběr vhodného software

Všechny přístupy potřebné k odhalení špatně fungujících procesů uvnitř IGW převodovky s přehledem zvládl software Particleworks, který na český trh dodáváme. Unikátnost tohoto software spočívá v pokročilém nasazení metody Moving Particle Simulation (MPS). Takový přístup umožňuje provádět výpočty nestlačitelných tekutin bez nutnosti složitého preprocesingu. Hlavní výhodou je, že nepotřebuje výpočetní síť, protože se jedná o tzv. bezsíťovou metodu. Ta je odvozena od obecnějšího přístupu Smooth Particle Hydrodynamics (SPH), která sice umožňuje také simulovat stlačitelnost tekutin, ale je výrazně výpočtově a časově náročnější než metoda MPS. Z toho důvodu je MPS ideální právě pro využití v oblasti simulací mazání převodovek, ať už vysoce nebo nízkoviskózními mazivy. Výpočet využívá Lagrangeova přístupu ke sledování toků tekutiny. Tekutina je reprezentována diskrétními částicemi, které mají mezi sebou vazby odpovídající vazbám uvnitř tekutiny. 

Úroveň simulace

Pro hodnocení mazání ložisek můžeme volit z několika úrovní simulace. První úroveň pouze hodnotí tok oleje do prostoru ložiska. Druhá úroveň hodnotí i zatékání oleje přímo mezi jednotlivé ložiskové části a třetí hodnotí interakci proudícího oleje s pohybujícími se částmi ložiska.

Zaměřili jsme se na rozdíly v rozstřiku oleje o velikostech náplně 5,9 a 6,8 l oleje. Při simulaci jsme schopni hodnotit jak rozběhovou fázi, tak i následnou fázi za plného běhu. Simulace je vždy nestacionární (časově závislá) a představuje chování oleje v jednotlivých časových okamžicích.

Použitý olej a materiálové vlastnosti

Pro výpočet jsme použili olej o hustotě 850 kg/m3, kinematické viskozitě 0,000156 m2/s a koeficientu povrchového tření 0,03 N/m. Pro interakci tekutiny se stěnou převodovky jsme volili kontaktní úhel 10°.

 

Výsledek spolupráce

Podívejte se ve videu, jak se chová olej během 2,75 sekundy (video 3 × zpomaleno oproti reálné rychlosti otáčení).

Image
SVS FEM simulace Ansys

Particleworks odhaluje při návrhu převodovky, jakým způsobem dochází k rozstřiku oleje v převodovce, jestli jsou ozubená soukolí a jednotlivá ložiska dostatečně mazána apod. Tento software napomáhá vytvoření optimálního tvaru převodovky a zefektivňuje provoz. Odpadají tak zdlouhavé a nákladné tvorby prototypů. V tomto případě byly testovány dva stavy, kdy bylo použito různé množství oleje při zachování stejných otáček. Zjistili jsme, že při použití většího množství dochází k efektivnějšímu mazání ložisek. Přitom ale v důsledku zatížení  větším množstvím oleje dojde k nárůstu kroutícího momentu na oběžných kolech zařízení. Dále jsme také zjistili, že při inicializaci je hladina při výpočtu s 5,9 l oleje o 7 mm níže než při využití většího množství. Posuzovali jsme také, jaké množství je schopno vynést výstupní ozubené kolo. Při použití většího množství je vynesený olej za jednotku času téměř trojnásobný. Průběh je možno vidět v procentuálním grafu 1, kde není zobrazena průtoková špička, ke které dochází při rozběhu. Objem vyneseného oleje je měřen pomocí regionu, který je vyobrazen na obrázku 2. Z tohoto důvodu dochází také k rychlejšímu a efektivnějšímu mazání ložisek v okolí velkého kola a zároveň se mnohem dříve dostává olej do druhé části převodovky k pastorku. Pro zjištění efektivity mazání ložisek můžeme měřit, za jak dlouho a jaké množství oleje stéká mazacími kanálky, viz obrázek 3. Porovnání množství a rychlosti nátoku oleje do těchto míst je možné vidět v grafu 2. Je zde patrné, že při použití vyššího množství oleje dochází k rychlejšímu a efektivnějšímu plnění kanálků. Větší množství oleje však způsobí nárůst kroutícího momentu, který musí kola při práci s větším množstvím oleje vyvinout. Tím dochází ke snížení účinnosti převodovky a současně zahřívání, kdy se energie mění na teplo.

Image
SVS FEM simulace Ansys

Mám zájem o podobné řešení