شبیه‌سازی گیربکس جهت مطالعه رفتار ارتعاشی در شرایط کاری مختلف

پذیرفته شده برای پوستر
کد مقاله : 1113-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
دانشگاه زنجان
چکیده
تحلیل پاسخ ارتعاشی یک گیربکس، معیاری کلیدی در پایش عملکرد آن می‌باشد. پژوهش حاضر به بررسی عملکرد یک گیربکس تحت شرایط کاری مختلف می‌پردازد. اثر تغییر در پارامترهای ورودی از قبیل گشتاور و سرعت زاویه‌ای در ورودی گیربکس روی پاسخ ارتعاشی آن بررسی می‌گردد. جهت دستیابی به این هدف، یک مدل دینامیکی با ۶ درجه آزادی از یک گیربکس با دو چرخدنده ساده توسعه داده شده است. سفتی درگیری دندانه متغیر با زمان به عنوان عامل اثرگذار در مشاهده فرکانس‌ درگیری درنظر گرفته شده است. سفتی درگیری دندانه‌های چرخدنده تابعی غیرخطی و پله‌ای بوده که در حالت درگیری تک جفت دندانه و دو جفت دندانه مدلسازی گردیده است. به منظور استفاده از سفتی درگیری بین دندانه‌ها از تقریب فوریه گسسته استفاده شده است. در ادامه، با استفاده از روش رانگ-کوتا دستگاه معادلات دینامیکی در فضای حالت بصورت عددی حل شده است. نتایج پژوهش حاضر نشان می‌دهد که تغییر در شرایط عملکردی گیربکس باعث تغییر دامنه سیگنال ارتعاشی و ویژگی‌های آن می‌گردد.
کلیدواژه ها
 
Title
Simulation of a gearbox to analyze vibration behavior under various operating conditions
Authors
Mostafa Moattari, Ali Akbar Pirmohammadi
Abstract
Vibration analysis of gearboxes serves as a critical metric for performance monitoring and condition assessment. This study investigates the dynamic behavior of a gearbox under varying operational conditions, with particular focus on the influence of input parameters—namely torque and rotational speed—on its vibration response. A nonlinear six-degree-of-freedom (6-DOF) dynamic model is developed for a single-stage spur gear pair. Time-varying mesh stiffness, a key contributor to gear-mesh frequency characteristics, is incorporated into the model. The mesh stiffness is formulated as a nonlinear, piecewise function, distinguishing between single- and double-tooth contact phases. To facilitate dynamic simulation, a discrete Fourier series approximation is employed to represent the periodic mesh stiffness, balancing computational efficiency and fidelity; while increasing the number of harmonics enhances accuracy, it also significantly raises computational cost and numerical complexity. The governing equations of motion are non-dimensionalized and solved numerically in state-space form using the fourth-order Runge–Kutta method (ode45). The proposed model enables precise evaluation of how mechanical load and speed variations affect key vibration features. Results demonstrate that the gearbox vibration response exhibits high sensitivity to changes in both input torque and shaft frequency. Specifically, the root-mean-square (RMS) value—a widely used diagnostic feature—increases consistently with rising torque and rotational speed. This trend is attributed to elevated tooth contact forces under higher loading, leading to amplified vibration amplitudes, which is clearly reflected in the simulation outcomes. The methodology and framework established in this work can be extended to multi-stage and planetary gear systems, offering a foundation for developing more sophisticated digital twin models in future research.
Keywords
Vibration of simple gearbox, Teeth meshing, Dynamic modeling, varying operating conditions