Elektrikli Bir Taşıtın Tek Vitesli Transmisyonunun Tasarımı ve Optimizasyonu

Öz

Bu çalışmada elektrikli bir taşıtın güç aktarma sisteminde kullanılacak tek vitesli dişli kutusunun tasarımı ve mukavemet kontrolleri yapılmıştır. Dişli kutusunun tahriki elektrik motoru tarafından sağlandığından motorun tork-devir karakteristiği referans alınarak mukavemet hesapları yapılmıştır. Dişli çiftlerin çalışması esnasında en sık karşılaşılan sorun olan aşırı gerilmeden kaynaklı kök kırılmalarının oluşmaması için gerilmeler KISSsoft yazılımı ile analiz edilerek optimizasyon yapılmıştır. Analizlerde diş yanak mukavemeti ve diş dibi gerilmeleri üzerinde durulmuştur. Geometrik parametreler ISO 6336 “Düz ve helisel dişlilerin yük kapasitesinin hesaplanması” standardında belirtilen emniyet katsayıları dikkate alınarak çözümler yapılmış ve dişli mukavemeti üzerindeki etkileri gözlemlenmiştir. Sonuçlar, birinci dişli çiftinin 2,5 mm modül, 22° helis açısı ve pinyon dişli çark için 32 diş sayısının optimal olduğunu göstermektedir. İkinci dişli çiftinin optimum parametreleri ise 2,5 mm modül, 20° helis açısı ve 33 diş sayısına sahip pinyon dişli olarak belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Diş dibi eğilme gerilmeleri
• Diş dibi mukavemeti
• Dişli çark optimizasyonu
• KISSsoft
• Tek vitesli transmisyon

Design and Optimization of the Single-Speed Transmission in an Electric Vehicle

Öz

In this study, the design and stress analysis of a single-speed gearbox to be used in the powertrain system of an electric vehicle has been conducted. Since the drive of the gearbox is provided by the electric motor, the stress computations have been performed by considering the torque-speed characteristic of the motor as a reference. To prevent the root fractures caused by excessive tension, which is the most common problem during the operation of gear pairs, the optimization has been performed by the stresses are analyzed with the KISSsoft software. In the analysis, tooth surface strength and root stresses are emphasized. Solutions have been conducted by considering the safety coefficients specified in ISO 6336 “Calculation of load capacity of spur and helical gears” standard for geometric parameters and their effects on gear strength have been observed. The results indicate that a modulus of 2.5 mm, helix angle of 22°, and the number of teeth 32 of the pinion gear are optimal for the first gear pair. The optimum parameters of the second gear pair have been determined as 2.5 mm modulus, 20° helix angle, and pinion gear with 33 teeth.

Anahtar Kelimeler

• Tooth bending stress
• Tooth root strength
• Gear optimization
• KISSsoft
• Single-speed transmission

Kaynakça

1. [1] Ehsani, M., Gao, Y., Longo, S., Ebrahimi, K. M., “Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles”, CRC Press Taylor&Francis Group, Florida, (2018).
2. [2] Eren, S., “Elektrikli araç elektronik diferansiyel denetleyici tasarımı ve performans analizi”, Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2019).
3. [3] Çelik, İ. and Sonugür, G., “The test of electric vehicle with electronic differential system in different road conditions”, Journal of Polytechnic, Early View, (2022).
4. [4] Skoglund, P., Litstrom, O., Flodin, A., “Improvement of powder metallurgy gears for engines and transmissions”, SAE Technical Paper, 2013-32-9102, (2013).
5. [5] Berdiev, D. M. and Yusupov, A. A., “Improving the wear resistance of gear teeth by cyclic quenching with inductive heating”, Russian Engineering Research, 40: 473-475, (2020).
6. [6] Kumar, A., Patnaik, A., Bhat, I. K., “Parametric analysis of tribological for gear materials behaviour and mechanical study of cobalt metal powder filled Al-7075 alloy composites”, Materials Today: Proceedings, 27: 2787-2800, (2020).
7. [7] Sandooja, A. and Jadhav, S., “Analysis of gear geometry and durability with asymmetric pressure angle”, SAE International Journal of Commercial Vehicles, 5: 546-558, (2012).
8. [8] Yazar, M. ve Özdemir, A., "Eliptik düz dişlilerin bilgisayar destekli tasarımı ve CNC tel erozyon ile imalatı", Politeknik Dergisi, 13: 245-253, (2010).

9. [9] Fetvacı, M. C., "Profil kaydırmalı silindirik evolvent dişli çarkların matematik modellenmesi", Politeknik Dergisi, 23(4): 1339-1346, (2020).
10. [10] Kapelevich, A. L. and Shekhtman, Y. V., “Direct gear design: bending stress minimization”, Gear Technology, 44–47, (2003).
11. [11] Bibel, G. D., Reddy, S. K., Savage, M., Handschuh, R. F., “Effects of rim thickness on spur gear bending stress”, Journal of Mechanical Design, 116: 1157-1162, (1994).
12. [12] Sankar, S. and Nataraj, M., “Profile modification-a design approach for increasing the tooth strength in spur gear”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 55: 1-10, (2011).
13. [13] Kapelevich, A. L. and McNamara, T. M., “Direct gear design® for automotive applications”, SAE Technical Paper, 2005-01-1817, (2005).
14. [14] Pek, M. A., “Stress analyses of polymer gears using finite element method”, Phd Thesis, Suleyman Demirel University, Isparta, (2002).
15. [15] Prabhakaran, S., Balaji, D. S., Kumar, R. P., “Bending stress analysis of a spur gear for material steel 15ni2cr1mo28”, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 12(19): 5636-5641, (2017).
16. [16] Osakue, E. E. and Anetor, L., “Revised Lewis bending stress capacity model”, The Open Mechanical Engineering Journal, 14(1): 1-14, (2020).
17. [17] Dong, P., Zuo, S., Du, S., Tenberge, P., Wang, S., Xu, X., Wang, X., “Optimum design of the tooth root profile for improving bending capacity”, Mechanism and Machine Theory, 151: 103910, (2020).
18. [18] Kognole, S., “Optimizing the geometric parameters of new gear pair using existing gear pairs”, SAE Technical Paper, 2014-01-1770, (2014).
19. [19] Bozca, M., “Optimisation of effective design parameters for an automotive transmission gearbox to reduce tooth bending stress”, Modern Mechanical Engineering, 7: 35-36, (2017).
20. [20] Kütük, M. ve Yıldırım, N., “Ağır yük düz ve helis dişlilerin performans analizi ve profil optimizasyonu”, Makina Tasarım ve İmalat Dergisi, 96-102, (2003).
21. [21] Menküç, R., Uysal, L. K., Topgül, T., “Effect of profile modification on noise in involute gear pair”, International Journal of Automotive Science and Technology, 5(2): 79-84, (2021).
22. [22] Menküç, R. ve Topgül, T., “Dişli çarklarda basınç açısının özgül kayma hızı, kavrama oranı ve gürültüye etkisi”, International Symposium on Automotive Science and Technology, 8-10 Eylül 2021 Ankara, Türkiye, (2021).
23. [23] Dudley, D. W., “Practical Gear Design”, McGraw Hill Book, New York, (1954).
24. [24] Akkurt, M. “Makine Elemanları Cilt: 2”, Birsen Yayınevi, İstanbul, (2012).
25. [25] Miler, D., Žeželj, D., Lončar, A.,Vučković, K., “Multi-objective spur gear pair optimization focused on volume and efficiency”, Mechanism and Machine Theory, 125: 185-195, (2018).
26. [26] Kim, S. C., Moon, S. G., Sohn, J. H., Park, Y. J., Choi, C. H., Lee, G. H., “Macro geometry optimization of a helical gear pair for mass, efficiency, and transmission error”, Mechanism and Machine Theory, 144: 103634, (2020).
27. [27] Gologlu, C. and Zeyveli, M., “A genetic approach to automate preliminary design of gear drives”, Computers and Industrial Engineering, 57(3): 1043-1051, (2009).
28. [28] Younes, E. B., Changenet, C., Bruyère, J., Rigaud, E., Perret-Liaudet, J., “Multi-objective optimization of gear unit design to improve efficiency and transmission error”, Mechanism and Machine Theory, 167: 104499, (2022).
29. [29] Fan, J., “Bestimmung des moduls bei zahnradgetrieben”, Master Thesis, Mittweida University of Applied Sciences, Mittweida, (2015).