A detailed analysis of gear meshing phenomena by numerical and experimental techniques.

I sistemi di ingranaggi sono essenziali in diverse applicazioni industriali in quanto trasmettono potenza e movimento. Per ottimizzare questi sistemi e ridurre i problemi di rumorosità, è fondamentale comprendere i fenomeni di ingranamento che governano la dinamica degli ingranaggi. Nella prima parte della tesi ci si è concentrati sulla descrizione della dinamica di sistemi vite-ruota attraverso lo sviluppo di un modello a parametri concentrati. Sono state scritte le equazioni che governano il sistema e che permettono di distinguere tra meccanismo destrorso e sinistrorso. Quindi, le equazioni sono state implementate nell’ambiente AMESim di Simcenter. La rigidezza di ingranamento utilizzata è stata definita con una metodologia ad elementi finiti. Al fine di validare il modello è stata condotta una campagna sperimentale variando la coppia applicata e la velocità di rotazione. Infine, è stata condotta un’analisi dell’influenza delle componenti delle equazioni per comprendere quanto questi influiscano nella dinamica del sistema. La seconda parte della tesi è dedicata alla definizione di tre nuovi indici in grado di rilevare il rumore di rattle in condizioni reali. A differenza degli indici esistenti, quelli proposti si basano sull'analisi di grandezze facilmente ottenibili come i dati accelerometrici e acustici. È stato sviluppato un modello a parametri concentrati di un sistema di ingranaggi, in grado di riprodurre gli impatti tra i denti, che permettesse di valutare l’efficacia degli indici. Successivamente, è stata condotta una campagna sperimentale su un trattore per verificare che i tre indici proposti fossero in grado di rilevare le situazioni di rattle. La terza parte della tesi si concentra sulla fasatura degli ingranaggi cilindrici ordinari e sulla loro modellazione dinamica. È stato sviluppato un “digital twin” di un treno di ingranaggi con l'obiettivo di ridurre il rumore emesso andando a lavorare sulla fasatura degli ingranaggi. Il “digital twin” consiste in un modello combinato parametri concentrati/elementi finiti che è stato validato attraverso il confronto con i dati di accelerazione acquisiti durante una campagna sperimentale. Il modello validato è uno strumento utile in quanto consente di valutare diversi layout e modifiche, risparmiando i costi e i tempi associati alle prove sperimentali. Sono stati quindi studiate diverse configurazioni che differiscono per il posizionamento delle ruote e, di conseguenza, per la sfasatura tra gli ingranaggi. L'efficacia dei layout proposti è stata confermata dall'analisi delle forze sui cuscinetti, direttamente collegate al rumore emesso. Nell'appendice viene proposta una metodologia innovativa per ridurre il numero di sensori necessari per misurare la potenza acustica di un macchinario industriale utilizzando come input i dati di vibrazione. È stata condotta una campagna sperimentale per misurare la potenza sonora di un riduttore con metodologie acustiche e vibrazionali. La campagna sperimentale ha permesso di calcolare l'efficienza di radiazione e di analizzare gli effetti di velocità e coppia. Partendo da questi dati, è stata proposta una metodologia che permette di ridurre il numero di accelerometri necessari per la valutazione della potenza sonora, passando da 27 accelerometri a un numero inferiore di 4. I risultati ottenuti hanno confermato l'efficacia della nuova metodologia proposta e hanno dimostrato che possa essere utile per il monitoraggio a fine linea.

Gearing systems are essential in various industrial applications as they transmit power and motion. To optimize these systems and reduce noise issues, it is crucial to have a deeper understanding of the meshing phenomena that govern the gearing dynamics. Within this context, the aim of this thesis is to explore the intricacies of worm gear dynamics and to propose novel methods for detecting and reducing acoustic phenomena associated with meshing. The first part of the thesis concentrates on describing the dynamics of the worm gear by creating a lumped parameter model. Mathematical equations were derived which enable the distinction to be made between clockwise and counter-clockwise rotation, as well as between right-hand and left-hand mechanisms. Thus, the equations have been implemented in the Simcenter AMESim environment. Within this context, the block diagram implementation is provided. The meshing stiffness used in the model is defined through a pure FE method, which is detailed in its implementation. An experimental campaign was conducted to validate the model by investigating the influence of speed and torque. In order to improve the comprehension of the worm gear dynamics, the contributions of each component of the equations were evaluated. The findings demonstrate that modelling both friction and damping is essential for an accurate representation of worm gear dynamics. Finally, this study has investigated the influence on the model outputs of parameters such as meshing stiffness, friction coefficient and damping coefficients. The second part of the thesis is devoted to the definition of novel indices capable of detecting rattle noise in real-life conditions. Unlike existing indexes, the proposed ones are based on the analysis of easily obtainable quantities such as acceleration and acoustical data. Three indexes based on the rattle characteristics are proposed. Within this context, an LP model of a gear system, capable of reproducing the impacts between teeth, is developed to validate the effectiveness of these indexes in detecting rattle noise. An experimental campaign is conducted on an off-road vehicle to verify that the three proposed indexes can detect those situations of rattle noise. The third part of the thesis focuses on the timing of ordinary spur gears and their dynamic modelling. Within this context, a digital twin of a gear train is developed with the aim of reducing the emitted noise by working on the meshing phasing methodology. The digital twin consists of a combined LP/FE model which is validated through the comparison between the acceleration data acquired during an experimental campaign. The validated model is a useful tool as it enables the evaluation of different layouts and modifications, saving costs and time associated with experimental tests. Thus, different layouts are investigated, differing from the gear positioning and, as a consequence, from the phasing between the mesh of the four investigated gears. The effectiveness of the suggested layouts is confirmed by analysing the bearing forces, which are directly linked to the emitted noise. In the Appendix, a novel methodology is proposed to reduce the number of sensors required for measuring the acoustic power of an industrial machinery using vibration data as input. Within this context, the radiation efficiency is investigated. An experimental campaign was conducted measuring the vibration-based and the acoustical-based sound power of a gearbox. Thus, the radiation efficiency has been calculated and the effect of speed and torque were analysed. Furthermore, the enhancement process used the experimental campaign data as input and analysed the sound power obtained from a smaller number of accelerometers compared to what is required by the vibrational methodology. The obtained results confirm the efficacy of the novel proposed methodology, useful for end-of-line monitoring.