En Power Transfer Unit (PTU) eller vinkelväxel i ett drivsystem för allhjulsdrift är enväxellåda med en hypoid-växel som drevsats. PTUn ar placerad mellan fordonets transmissionoch kardanaxel och används för att fördela momentet från drivsystemet mellanalla hjulen. De dynamiska egenskaperna hos vinkelväxeln är kopplade till de ljud ochvibrationer som uppfattas i bilen, speciellt tonalt ljud som växelvin. Källan till dennavibration kan relateras till transmissionsfelet i växeln. Transmissionsfelet beror pa faktorersom geometri, rotationshastighet och statiskt moment. Om faktorernas inverkankan identieras skapar det möjligheter att reducera felet genom designförändringar. 1D ellersystem-simulering ar en förenklad beskrivning av det dynamiska beteendet av systemet.Det är en flexibel metod som kan ge en uppskattning av systemets egenskaper iett tidigt skede och kan användas i såväl tids- som frekvensdomönen.Denna studie syftar till att bygga en 1-D system-modell av en PTU och studera dessdynamiska beteende. De typer av analyser och resultat som ar möjliga att få från en dynamisk1-D modell av en specic produkt har utvärderats. Befintliga komponenter frånmjukvarans bibliotek har används for att bygga en förenklad modell med lumpade massorav den fysiska systemet. Simuleringar har utförts både i tidsdomänen och frekvensdomänen.System-modellen är mycket användbar för modelling av hela system och av hur delarnaväxelverkar i ett tidigt skede av produktutvecklingen. Beräkningen av nivån på transmissionsfeletsgrundtonen stämmer väl med tillgängliga mätresultat. Rotationshastigheternasvariation då kopplingen kopplar i och ur vinkelväxeln illustrerar tydligt kopplingensinverkan på dynamiken i systemet. Det var dessutom möjligt att erhålla systemets torsionsegenfrekvenseroch modformer från den linjära frekvensanalysen. / A Power Transfer Unit (PTU) of an All-Wheel Drive system is a hypoid gearbox whichis a driveline component, used to distribute power from the powertrain to all the wheelsof a vehicle. The gearbox dynamics is closely related to the gearbox noise and vibration,especially tonal noise like gear whine. The source of this vibration is referred to as thetransmission error in the unit. Transmission error is attributed to various geometricaland operating conditions, which if mapped mathematically, allows the designer to reducethe error by varying the design parameters. The demand in the automotive industry toreduce time to market is high. A lot of time can be saved if system performance can beassessed at the concept stage, even before the detailed design. This is where system-levelsimulation plays a key role. 1-D or system simulation technique studies the dynamicbehaviour of the system in one dimension. This greatly simplies the model and allowsfor the exibility to get early estimates of the system behaviour with respect to time andfrequency. Here, such a system model is built for a hypoid gear based driveline system.This work aims to build a 1-D system model of the PTU and study the dynamic behaviourof the response. The evaluation helps in understanding the capabilities on 1-D systemmodel in simulating a specialised product dynamic characteristics. LMS AMESim wasthe commercial tool used in building the system model. Existing components from thesoftware library were used to build a sketch of a simplied, lumped mass model of thephysical system. The model was then simulated in both the time domain and frequencydomain through a temporal and linear analysis respectively.It is observed that the system model is very useful in early modelling of a system and itsinteractive eects. The fundamental harmonic of the transmission error is predicted wellin the system model. The clutch connect/disconnect behaviour can also be seen in therotary velocity response of the gear. The system eigenfrequencies and mode shapes wereobtained from the linear analysis.

Ausgangspunkt der Untersuchung ist die Frage, ob Hybridkonzepte auf hydrostatischer Grundlage eine realistische Alternative zu elektrohybriden Antriebskonfigurationen für Dieseltriebwagen sein können. Die Untersuchung dieser Fragestellung erfolgt mit Hilfe von Simulationsmodellen, die auf der 1-d-Simulationsumgebung Imagine.Lab AMESim beruhen. Zunächst wird die fahrdynamische und antriebstechnische Modellierung eines dieselhydraulischen Regionaltriebwagens unter Berücksichtigung einer energiesparenden Fahrweise dargestellt. Ausgehend von Massenbilanzen werden untereinander vergleichbare Hybridkonfigurationen auf hydrostatischer (Gasdruckspeicher), elektrostatischer (Doppelschichtkondensatoren) und elektrochemischer (Li-Ionen-Speicher) Basis entwickelt. Die Modellierung der hydraulischen und elektrischen Antriebsstränge wird eingehend diskutiert. Die abgeleiteten Hybridkonfigurationen werden anschließend bezüglich spezieller Fahrspiele und Betriebskonzepte detailliert untersucht, um auf dieser Grundlage günstige Parametrierungen der Systeme ableiten und die günstigste Betriebsstrategie identifizieren zu können. Anschließend wird eine umfangreiche Analyse des Verhaltens der verschiedenen Hybridkonfigurationen auf ausgewählten realen Nahverkehrsstrecken vorgenommen. Im Rahmen der durchgeführten Simulationen wird schließlich das Kraftstoffeinsparpotential in Abhängigkeit von Streckenprofil, Hybridkonfiguration und Zugart ermittelt und verglichen.

A Power Transfer Unit (PTU) of an All-Wheel Drive System is a hypoid gear transmission unit that distributes the power from the vehicle transmission to all wheels of the vehicle. This thesis aims at increasing the fidelity of the analytical power loss calculation methods through test data correlation and develop a 1D simulation model that can be used to evaluate the drag losses in the PTU at early design stages.  Firstly, the analytical methods to predict the frictional losses and oil churning losses due to the hypoid gearset, rolling bearings and seals immersed in oil are studied. Several drag loss tests with different combinations of internal components, bearing preloads and with/without the presence of oil were previously conducted on the PTU at different speeds and temperatures at zero torque. The power losses are computed in ROMAX Energy and Excel using different analytical methods available in the literature for each component in the PTU. Then the results from the drag loss tests are segregated component-wise for data correlation with the losses evaluated previously. Based on the data correlation, modification factors are introduced for all analytical methods to match the segregated test results.  The demand in the automotive industry to reduce time to market is high. Hence, system-level simulation was chosen as a solution to assess the system efficiency at early concept design stage, saving a lot of time and aid the detailed design. 1D simulation technique is used to study the total power loss of the PTU to optimize its design. The thesis is aimed at developing a 1D system model of the PTU in a commercial tool called LMS AMESim, to evaluate the total power loss of the unit. Inbuilt component models from the software library are used to build a sketch of a simplified lumped mass model of the physical system. The model is simulated in a time domain temporal analysis. The total power loss results simulated using AMESim are compared to the efficiency tests results conducted at different torque levels and ROMAX results.  Comparisons between the simulations and test data shows that the system model is accurate and can be used in predicting the power losses in the PTU in the early design stages. This model can also be used to study the influential factors through sensitivity analysis of different parameters which can be done as an extension to the current scope of this work. / En kraftöverföringsenhet (PTU) i ett fyrhjulsdriftsystem är en hypoidväxellådsöverföringsenhet som fördelar kraften från växellådan till alla hjul i fordonet. Det rapporterade arbetet syftar till att öka konfidensen i de analytiska beräkningsmetoderna för effektförlust genom testdatakorrelation och genom att utveckla en 1D-simuleringsmodell som kan användas för att utvärdera dragförlusterna i PTUn i tidiga designfaser.  För det första studeras analysmetoderna för att förutsäga friktionsförluster och plaskförluster på grund av hypoidväxeln, rullager och tätningar nedsänkta i olja. Flera ”Drag Loss”-tester med olika kombinationer av interna komponenter, lagerförspänningar och med / utan närvaro av olja utfördes tidigare på PTU vid olika hastigheter och temperaturer utan pålagt moment. Effektförlusterna beräknas i ROMAX Energy med olika analysmetoder tillgängliga i litteraturen för varje komponent i PTU. Sedan separeras resultaten från dragförlusttesterna komponentmässigt för datakorrelation med de tidigare utvärderade förlusterna. Baserat på datakorrelationen införs modifieringsfaktorer för alla analysmetoder för att matcha de segregerade testresultaten.  Efterfrågan inom fordonsindustrin att minska tiden till marknaden är hög. Därför väljs simulering på systemnivå som en lösning för att bedöma systemeffektiviteten i ett tidigt konceptdesignfas, vilket sparar mycket tid och underlättar den detaljerade designen. 1D-simuleringsteknik används för att studera PTUns totala effektförlust för att optimera dess design. Arbetet syftar till att utveckla en 1D-systemmodell av PTU i ett kommersiellt verktyg som heter LMS AMESim, för att utvärdera enhetens totala effektförlust. Inbyggda komponentmodeller från programvarubiblioteket används för att skapa en skiss av en förenklad modell av det fysiska systemet. De totala effektförlusterna beräknade med AMESim jämförs med effektivitetstestresultaten vid olika vridmomentnivåer och ROMAX-resultat.  Från korrelationen med testresultaten observeras att systemmodellen är korrekt och kan användas för att förutsäga effektförlusterna i PTU i de tidiga designstadierna. Denna modell kan också användas för att studera de viktigaste faktorerna genom känslighetsanalys av olika parametrar, vilket kan göras som en förlängning av detta arbete.

Ausgangspunkt der Untersuchung ist die Frage, ob Hybridkonzepte auf hydrostatischer Grundlage eine realistische Alternative zu elektrohybriden Antriebskonfigurationen für Dieseltriebwagen sein können. Die Untersuchung dieser Fragestellung erfolgt mit Hilfe von Simulationsmodellen, die auf der 1-d-Simulationsumgebung Imagine.Lab AMESim beruhen. Zunächst wird die fahrdynamische und antriebstechnische Modellierung eines dieselhydraulischen Regionaltriebwagens unter Berücksichtigung einer energiesparenden Fahrweise dargestellt. Ausgehend von Massenbilanzen werden untereinander vergleichbare Hybridkonfigurationen auf hydrostatischer (Gasdruckspeicher), elektrostatischer (Doppelschichtkondensatoren) und elektrochemischer (Li-Ionen-Speicher) Basis entwickelt. Die Modellierung der hydraulischen und elektrischen Antriebsstränge wird eingehend diskutiert. Die abgeleiteten Hybridkonfigurationen werden anschließend bezüglich spezieller Fahrspiele und Betriebskonzepte detailliert untersucht, um auf dieser Grundlage günstige Parametrierungen der Systeme ableiten und die günstigste Betriebsstrategie identifizieren zu können. Anschließend wird eine umfangreiche Analyse des Verhaltens der verschiedenen Hybridkonfigurationen auf ausgewählten realen Nahverkehrsstrecken vorgenommen. Im Rahmen der durchgeführten Simulationen wird schließlich das Kraftstoffeinsparpotential in Abhängigkeit von Streckenprofil, Hybridkonfiguration und Zugart ermittelt und verglichen.

Predložená doktorandská dizertačná práca (ďalej len práca) sa zaoberá rozsiahlou analýzou valčekového hydrogenerátora s premenlivým geometrickým objemom a predikciou výkonových úspor dosiahnutých aplikáciou navrhnutého valčekového hydrogenerátora s premenlivým geometrickým objemom v hydrostatickom pohone vybraných mobilných pracovných strojov. Teoretický rozbor princípov fungovania valčekového hydrogenerátora a teória jednorozmerného simulačného modelu sú popísané v prvej časti práce. Na základe odvodenej teórie je vytvorený simulačný model, ktorý je vhodný na predikciu priebehu tlaku v komorách valčekového hydrogenerátora, síl pôsobiacich na valček a na predikciu vnútorných únikov vzniknutých skratovaním rozvodovej dosky, ktoré majú priamy vplyv na objemovú účinnosť valčekového hydrogenerátora. Simulačný model bol úspešne použitý pre optimalizáciu rozvodových dosiek valčekového hydrogenerátora a vhodnosť simulačného modelu potvrdili následné merania Práca obsahuje aj analýzu síl pôsobiacich na vodiaci prstenec, ktorej výsledky boli taktiež potvrdené meraním. Analýza týchto síl môže vylepšiť v konečnom dôsledku parametre budúcich tlakových regulácii. Práca ďalej obsahuje základné porovnanie použitých tlakových regulácii. Všetky uskutočnené merania potvrdili, že valčekový hydrogenerátor s premenlivým geometrickým objemom s testovanými tlakovými reguláciami je schopný úspešne pracovať v hydrostatickej prevodovke. Druhá časť práce analyzuje potenciál výkonových úspor valčekového hydrogenerátora s premenlivým geometrickým objemom pre dve mobilné aplikácie - teleskopický nakladač s hmotnosťou 9 ton a kombajn s hmotnosťou 20 ton. Analýza vyžaduje jednorozmerný simulačný model hydrostatického pohonu s teplotnou predikciou hydrostatickej prevodovky. Dva rozdielne koncepty variabilného doplňovacieho systému hydrostatickej prevodovky sú porovnané so štandardným doplňovacím systémom pre pracovný a transportný režim oboch vybraných typov vozidiel. Simulácia pohonu vozidla s valčekovým hydrogenerátorom s premenlivým geometrickým objemom vo funkcii doplňovacieho hydrogenerátora a obtokovou clonou potvrdili vyššie úspory iba v prípadoch, kedy rýchlosť doplňovacieho hydrogenerátora bola výrazne vyššia a prietok cez obtokovú clonu do skrine hlavného hydrogenerátora zabezpečil dostatočné chladenie. Najvyššie výkonové úspory boli dosiahnuté s premenlivým preplachovacím systémom, ktorého prietok sa menil podľa požiadaviek hydrostatickej prevodovky. Záver druhej časti práce sa zaoberá metodikou dimenzovania veľkosti doplňovacieho hydrogenerátora.