Suurnopeushammasvaihteen suunnittelu

Abstract

Työn tarkoituksena oli tutkia suurilla pyörimisnopeuksilla (n ≥ 10000 R/MIN) toimivan vaihteiston suunnittelua. Työ rajattiin koskemaan pelkästään lieriöhammaspyöriä, akseleita ja kaupallisia laakerivaihtoehtoja. Työ aloitettiin tekemällä laaja kirjallisuuskatsaus aiheeseen liittyen. Kirjallisuuskatsauksen runkona toimii ANSI/AGMA 6011-J14 standardi, myös ISO 6336 sarja oli laajasti käytössä. Akseleiden osuus keskittyi mitoitusteknisiin näkökohtiin. Laakereiden osalta työ sisältää hydrodynaamiset-, vierintä- ja hybridilaakerit, näiden mitoitustekniset muuttujat kaupallisissa ratkaisuissa. Kirjallisuuskatsauksen jälkeen työssä tehtiin toimeksiantajan lähtötietoihin perustuen kahden vaihteiston konseptisuunnittelu hankittuun tietoon perustuen.

Tuloksista havaitaan, että hammaspyörien osalta on äärimmäisen tärkeää saada kokonaisuus toimimaan makro-/mikrogeometriat, välitykset, moduulit ja muut muuttujat on valittava niin, että rynnöstä aiheutuva melu on mahdollisimman alhainen. Akseleiden osalta tasapainotus ja kriittinen pyörimisnopeus, sekä akselin rakenne mm. akselin ja hammaspyörän välinen liitos on huomioitava. Laakereiden osalta sallitut pyörimisnopeudet ja laakereiden pintapainerajat korostuvat kuin myös laakerin tyyppi. Kaikkiin edellä mainittuihin seikkoihin vaikuttavat myös vaihteistontyyppi (lieriö/planeettavaihteisto), suora vai vinohammastus ja käytetäänkö voimia kumoavia ratkaisuja.

Yhteenvetona tutkimustuloksista voidaan mainita, että NVH ominaisuudet ja näiden hallinta on äärimmäisen tärkeää korkeilla nopeuksilla toimivissa vaihteistoissa. Korkeat pyörimisnopeudet aiheuttavat yhä korkeampia äänenvoimakkuuksia ja toisaalta dieselmoottorin melu ei ole enää poistamassa matalia taajuuksia, joten tulevaisuudessa meluntorjunta kaikilla äänenvoimakkuustasoilla on olennaista.

The purpose of this work was to research the designing of high speed gear units. Work was limited to consider only cylindrical gears, shafts and bearings that are commercially available. At the beginning of work wide theoretical research was applied. Standard ANSI/AGMA 6011-J14 was as baseline of this work, also ISO 6336 series was widely used. Dimensional aspects of shafts were considered. Hydrodynamic, roller and hybrid bearings were researched. After theoretical study concept design of two alternative gear units were made according to specification that was provided by commissioning party.

From the results it can be seen that in terms of gear wheels, it is most important to get the overall geometry to work, macro-/microgeometry, ratio, modules and all other so that the noise coming from gear mesh is as low as possible. Part of shafts’ critical speeds, balancing and connection between shaft and gears need to be considered. In point of bearings’ limiting speeds, surface pressure and type of bearings are something to be considered. All in all, also type of gear unit (cylindrical/planetary), type of gearing (spur or helical) and other technical solutions rotating or canceling axial forces, need to be taken account.

As a conclusion from these results, it can be seen that NVH properties and controlling them are the most important in gear units that are operating at high speeds. High speeds are causing higher frequencies and on the other hand, diesel motors are no longer eliminating low frequencies so controlling noise at any frequency becomes important.