This Bachelor thesis at KTH Royal Institute of Technology in Stockholm covers a model-based analysis of thrust washer bearings in heavy trucks. This work treats Scania CV AB’s range-splitter gearbox. In this gearbox there are thrust washer bearings which are analyzed in this study. The purpose of the study is to examine the stresses the bearings are experiencing during load, determine which bearing (front or rear) that is most highly stressed, and discuss the cause for that. At large axial forces, which in turn lead to greater friction and thermal stress, there is a large risk for severe wear. Theoretically, there should not be any axial forces in a planetary gearbox with straight cut-gears, but because of the shape of the planet wheel carrier and the torque from the engine, the carrier and the needle bearings are distorted, which will cause an axial force. The axial force is not easily measured. Furthermore, it is also constantly changing during an actual driving sequence. Based on engineering judgement, the axial force was estimated to be 647 N. The axial force leads to all parts of the gearbox being pushed together axially, and cause friction forces to appear in surfaces that rotate relative each other. This process is analyzed with the FEM-program Ansys. Three possible scenarios were identified: (1) when the planetary wheel rotates relative the thrust washer bearing; (2) when the planetary wheel and needle bearing rotate relative the thrust washer bearing and (3) when the planet wheel carrier rotates relative the thrust washer bearing. The frictional heat power was simplified and analyzed as a heat power source and estimated to be 90 W. Cooling was modeled in Ansys as convection, with a film coefficient of 25 W/m2C. The initial temperatures used in the analysis were 22 and 90 °C. According to this, an equivalent stress of 12.3 MPa, and a maximum principal stress of 7.63 MPa, was located at the front thrust washer bearing. This occurs when the planet wheel and the needle bearing rotate relative to the thrust washer bearing, with an initial temperature of 90 °C. To validate the model, temperature sensors could be placed near the thrust washer bearings. However, since everything is rotating, this can be a difficult task. This report gives Scania a potential explanation to why the front and rear bearings in the gearbox are worn differently. / I det här kandidatexamensarbetet som genomfördes vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm gjordes en modellbaserad analys av axialglidlager som används i tunga lastbilar. Arbetet baserades på Scania CV ABs växellådor med range-splitter. I dessa sitter axialglidlager (även kallade brickor). Syftet var att undersöka hur stor påfrestning dessa utsätts för och försöka utröna vilken av brickorna (fram eller bak) som utsätts för störst belastning, samt diskutera vad detta skulle kunna bero på. Vid oönskade axiella krafter, som i sin tur leder till högre friktion och termoelastiska spänningar, är risken för nötning på brickorna stor. Teoretiskt sett ska det inte uppstå några axiella krafter i en planetväxel med rakkugg, men på grund av planethjulsbärarens utformning och det ingående momentet från motorn kan det uppstå en förvridning av hela bäraren och nållagren. Detta leder i sin tur till att en axiell kraft uppkommer. Denna kraft beräknades till 647 N med konservativa ingenjörsmässiga antaganden, eftersom axiella kraften inte kan mätas och ständigt varieras beroende på körprofil. Den axiella kraften medför att alla delar i planetväxeln pressas samman axiellt. En friktionskraft uppstår då mellan ytor som roterar i förhållande till varandra. Detta förlopp har analyserats med hjälp av FEM-programmet Ansys. Tre möjliga belastningsfall identifierades: (1) när planethjulet roterar mot axialglidlagret; (2) när planethjulet och nållagret roterar mot axialglidlagret, samt (3) när planethjulsbäraren roterar mot axialglidlagret. Den friktionsvärme som uppstår förenklades i modellen till en värmeeffekt på 90 W. Den värme som leds bort representerades som konvektion, med ett konvektionstal på 25 W/m2C. Som initialtemperaturer för FEM-analyserna användes 22 °C och 90 °C. En effektivspänning på 12,3 MPa och en största huvudspänning på 7,63 MPa uppstod i den främre brickan vid fallet när planethjul och nållager roterade mot axialglidlagret vid en intialtemperatur på 90 °C. För att kontrollera modellens rimlighet skulle temperaturgivare kunna installeras vid brickorna. Detta kan i praktiken dock bli svårt att genomföra då hela systemet roterar. Detta arbete ger Scania en möjlig förklaring till vad som skulle kunna orsaka en ojämn nötning fram och bak.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20760号 / 工博第4412号 / 新制||工||1686(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 杉浦 邦征, 教授 白土 博通, 教授 清野 純史 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

About 3/4th percentage of Earth’s surface is covered with water, the demand for harnessing energy from the ocean is increasing periodically. This form of energy conversion is Wave Energy. This method is practised all around the world, Novi-Ocean by Novige AB is one of its kind where they aim to build a wave energy converter. The main component of the device is the oating platform above the sea level and powertake-o (cylinder) below the sea level. The motion of waves makes the platform to move vertically up and down thus creating a lift force 450 tons. The force is experienced at the interface of platform and cylinder attachment. Therefore, a conceptual design for distributing the force along the length of the shaft is necessary. Also, suitable bearing for the marine application needs to be selected. For the application mentioned relevant research is made on understanding the types of the wave energy converter and their working principles. The product development methodology is carried out to generate a conceptual design. Next, simulations were performed to decide the diameter of the shaft at the interface. A numerical and FEA model analysis of press- t is performed to check the contact pressure. / Cirka 3/4 procent av jordens yta är täckt med vatten, efterfrågan på att utnyttja energi från havet ökar periodvis. Denna form av energiomvandling är Wave Energy. Denna metod utövas över hela världen, Novi-Ocean av Novige AB är ett i sitt slag där de syftar till att bygga en vågenergikonverterare. Huvudkomponenten i enheten är den ytande plattformen över havsnivån och kraftuttaget (cylinder) under havsnivån. Vågens rörelse gör att plattformen rör sig vertikalt upp och ner och skapar en lyftkraft 450 ton. Kraften upplevs vid gränssnittet mellan plattform och cylinderfäste. Därfor är en konceptuell design för fördelning av kraften längs axelns längd nödvändig. Dessutom måste lämpligt läger för den marina applikationen väljas. För den nämnda applikationen görs relevant forskning for att förstå typerna av vågenergikonverteraren och deras arbetsprinciper. Produktutvecklingsmetodiken genomförs för att generera en konceptuell design. Därefter utfördes simuleringar för att bestämma axelns diameter vid gränssnittet. En numerisk och FEA-modellanalys av presspassning utförs för att kontrollera kontakttrycket.

Die Auslegung von Magnetlagern erfolgt in der Regel durch Fachpersonal in einem iterativen zeitaufwendigen Prozess. Dies stellt einen großen Kostenfaktor bei der Entwicklung magnetgelagerter Maschinen oder der Umrüstung konventionell gelagerter Maschinen dar. Aus diesem Grund wurde ein Softwarewerkzeug entwickelt, welches eine automatisierte, optimale Auslegung von Magnetlagern auf Basis der Particle-Swarm-Optimization ermöglicht. Dabei wurden auch Temperatureinflüsse berücksichtigt, sodass eine Auslegung von Magnetlagern für erweiterte Temperaturbereiche möglich ist (Hochtemperatur-Magnetlager). / The design of magnetic bearings is usually carried out by specialist personnel in an iterative time-consuming process. This represents a major cost factor in the development of machines with magnetic bearings or the retrofitting of machines with conventional bearings. For this reason, a software tool was developed that enables an automated, optimal design of magnetic bearings based on Particle-Swarm Optimization. Temperature influences were also taken into account, so that a design of magnetic bearings for extended temperature ranges is possible (high-temperature magnetic bearings).

Das Prinzip eines Schwungmasseenergiespeichers (kurz SMS), d. h. kinetische Energie in rotierenden Massen zu speichern, ist bekannt. In den letzten Jahren haben SMS durch ihre Eigenschaft, große Leistungen bei hohen Zyklenzahlen aufzunehmen/abzugeben, an Attraktivität gewonnen. Durch Neu- und Weiterentwicklungen auf den Gebieten der Leistungselektronik, bei der Herstellung hochfester Werkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (kurz CFK, von: carbonfaserverstärkter Kunststoff) für Rotor und Schwungmasse und in der Lagertechnik sind energieeffiziente und sichere SMS bis zu 150 kWh machbar. Mit einem Leistungsband von 0,5-50 MW eignet sich die SMS-Technologie zur Stabilisierung von Verbundnetzen. Dieser Beitrag gibt einen generischen Einblick in die ingenieurwissenschaftlichen Arbeiten an einer Hochgeschwindigkeitsschwungmasse. Dazu wird die strategische Herangehensweise vorgestellt. Die Herausforderungen bei der Gestaltung der hybriden Metall-CFK-Strukturen des Laufzeugs werden vertieft. / The principle of a flywheel storage system (FSS for short), i.e., to store kinetic energy in rotating masses, is well described. In recent years, FSS have become more attractive due to their ability to receive/deliver large power at high cycle rates. Due to new and further developments in the fields of power electronics, in the production of high-strength materials such as carbon fiber reinforced plastics (short CFRP) for rotor and flywheel and in bearing technology, energy-efficient and safe FSS up to 150 kWh are possible. With a power range of 0.5-50 MW, FSS technology is suitable for stabilizing interconnected power grids. This paper gives a generic insight with respect to the engineering work on a high-speed flywheel. The strategic approach is presented. The design challenges regarding the hybrid metal-CFRP structures of the rotating assembly are deepened.

No description available.

No description available.

Axlebox bearings are one of the most critical components of a rail vehicle with regard to safety. An axlebox bearing that breaks during operation can be dangerous for the passengers and expensive for the operator. In-service failure of axlebox bearings has been the cause of many catastrophic accidents. Thus, it is of utmost importance to predict bearing failures as early as possible. This will increase reliability and safety of the vehicle as well as reduce the vehicle maintenance cost. Monitoring of roller bearings is an active research eld, and many methods have been proposed by other researchers. Many of these methods employ complex algorithms to make the most use of the given measurements. The algorithms often lack interpretability and have high computational costs, making them dicult to employ in an on-board system. This thesis proposes an interpretable and transparent algorithm that predicts bearing damages with high accuracy. Meanwhile, it tries to retain interpretability as much as possible. The algorithm is based on Empirical Mode Decomposition (EMD) and Singular Value Decomposition (SVD). These two techniques extract essential and meaningful information from the axlebox accelerations. The algorithm is benchmarked on two benchmark datasets, and the results are compared to the respective literature. Then the algorithm is employed on the railway axlebox acceleration measurements that were taken on an axlebox test bench available at SWJTU. The proposed algorithm can be extended to incorporate additional measurements of dierent types, e.g. sound or temperature measurements. The incorporation of other types of measurements will improve the performance of the algorithm even further. / Axelbox lager är en av de viktigaste komponenterna i ett järnvägsfordon när det berör säkerheten. Ett axelbox lager som havererar under drift kan vara farligt for passagerarna och även dyrt för operatören. Driftfel av lagren har varit orsaken till många katastrofala olyckor. Därför är det av yttersta vikt att förutsäga lagerfel så tidigt som möjligt. Detta ökar fordonets tillförlitlighet och säkerhet samt minskar underhållskostnaderna. Mycket forskning har utförts inom övervakning av rullager. Många metoder använder komplexa algoritmer för att maximalt utnyttja matningarna. Algoritmerna saknar ofta tolkbarhet och har höga beräkningskostnader, vilket gör dem svåra att använda i ett integrerat system. Denna avhandling kombinerar era metoder för databehandling och maskininlärning till en algoritm som kan förutsäga lagerskador med hög precision, samtidigt som tolkningsförmågan bibehalls. Bland andra välkända metoder sa använder algoritmen Empirical Mode Decomposition (EMD) och Singular Value Decomposition (SVD) för att extrahera väsentlig information for vibrationsmätningarna. Algoritmen testas sedan med tre olika vibrationsdatamängder, varav en mättes specikt med tanke på simulering av axelbox lager. Ett annat mål med algoritmen är att göra den tillämpad för ytterligare mätningar. Det bör vara möjligt att inkludera mätningar av olika slag, dvs ljud- eller temperaturmätningar, och därigenom förbättra resultaten. Detta skulle minska implementeringskostnaden avsevärt eftersom befintliga sensorer används för detta ändamål. I händelsen av att de föreslagna metoderna inte fungerar med nya mätningar är det även möjligt att integrera ytterligare funktioner i algoritmen.

During the assembly of aircraft engines, some clearance is left in the rolling bearings mainly to reduce friction. However this clearance might allow the rolling element to vibrate during flight. Indeed, unwanted vibrations called non-synchronous vibrations (NSV) appear on the data recorded by the sensors on some development engines. NSV can be dangerous for the engine so they are closely monitored.  To prevent the appearance of the NSV, they are investigated by the engineers as soon as they appear during tests. The main source of the NSV is most likely to be the rolling bearings in the rotor because they induce a non-linear behaviour. The bearings of development engines were investigated on Finite Element Method (FEM) software for example but other methods could bring a contribution for the understanding of the NSV.  In this study, a multibody modelling software is used to try to model and explain the observed sub-synchronous vibrations considered as NSV. A model of the rotor of a prototype engine on a FEM software is provided and then reduced to be implemented in the new software. The behaviour of this new model is tested through modal analysis and response to imbalance.  Once the model is properly set, a parametric study is performed to see the effect of the thrust, gravity, imbalance weight and clearance on the system. It shows that clearance and gravity are key parameters while thrust and the imbalance weight have a minor impact on the NSV. This study has also helped to fix the parameters used to reproduce the NSV observed in the experiments.  Then, a second study focus on the influence of the clearance of the roller bearings on the NSV. This study defines a range of clearance that can be implemented on the engine to avoid the NSV. It also proved that the vibrations were very sensitive to a small change in the clearance values.  Finally, by studying the previous configurations, a link between the stiffness of the bearing and the occurrence of the NSV was established. In fact, the NSV appear only when the two roller bearings both have no stiffness because the clearance is not filled by the radial load. The rolling element is thus free to vibrate in its ring. It was noticed that the NSV has more chance to occur if it has already come out earlier in the run-up of the engine.  The multibody software is therefore perfectly able to reproduce the vibrations in a rotor. It is now a tool that can be used during the development process. / Vid montering av flygplansmotorer lämnas ett spelrum i rullningslagren främst för att minska friktionen. Detta spelrum kan emellertid tillåta att rullelementet vibrerar under flygning. Faktum är att oönskade vibrationer som kallas non-synchronous vibrations (NSV) visas på data som registreras av sensorerna på utveckling motorerna. NSV kan vara farligt för motorn och övervakas därför noggrant.För att förhindra uppkomsten av NSV utreds de regelbundet av ingenjörerna. Den huvudsakliga källan till NSV är troligen rullager i rotorn eftersom de inducerar ett icke-linjärt beteende. Lagren för utveckling motorer undersöktes till exempel med Finita Element-metoden (FEM) programvara men andra metoder skulle kunna bidra till förståelsen av NSV. I denna studie används en multibody-modelleringsprogramvara för att försöka modellera och förklara de observerade subsynkrona vibrationerna som betraktas som NSV. En modell av rotorn till en utveckling motor tillhandahålls i ett FEM-program och reduceras sedan för att implementeras i den nya mjukvaran. Beteendet hos denna nya modell testas genom modal analys och respons på obalans. När modellen är inställd utförs en parametrisk studie för att se effekten av dragkraften, gravitationen, obalansvikten och frigången i systemet.Den visar att frigång och gravitation är nyckelparametrar medan dragkraft och obalansvikt har en mindre inverkan på NSV. Denna studie har också hjälpt till att bestämma de parametrar som används för att reproducera NSV som observerats i experimenten. Därefter fokuserar en andra studie på inverkan av rullagernas frigång på NSV. Denna studie definierar ett intervall av spelrum som kan implementeras på motorn för att undvika NSV. Det visade sig också att vibrationerna var mycket känsliga för en liten ändring av frigångsvärdena.Slutligen, genom att studera de tidigare konfigurationerna, etablerades en koppling mellan lagrets styvhet och förekomsten av NSV. Faktum är att NSV endast visas när de två rullagren båda inte har någon styvhet eftersom spelet inte fylls av den radiella belastningen. Rullelementet är således fritt att vibrera i sin ring. Det märktes att NSV har större chans att inträffa om den redan sker tidigare i motorns start. Multibody-mjukvaran är därför perfekt för att reproducera vibrationerna i en rotor. Det är nu ett verktyg som kan användas under utvecklingsprocessen.

Im Vortrag wird die Vorgehensweise zur Modellierung des Ventiltriebs eines Einzylinder-Motorradmotors beschrieben. Dieser setzt sich aus zwei gebauten, wälzgelagerten Nockenwellen zusammen. Die Ventile werden über Schlepphebel betätigt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Pressverbindungen zwischen Nocken und Welle sowie auf den Wälzlagerungen. Um die Belastungszustände zu ermitteln ist eine detaillierte Simulation nötig. Diese Mehrkörpersimulation wird in Mathcad mit Hilfe eines eigenen Lösers durchgeführt.