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.

This work describes the use of Multi-Body Simulation (MBS) to create a virtual prototype of a geared drive called Power transfer unit (PTU). PTU is a subsystem of the all-wheel drive driveline responsible for transfer of power between front and rear axles in an Automobile. The objective of the developing the prototype is to simulate the dynamic behavior of the PTU. Focus is on predicting the gear transmission error(TE) and gearbox housing vibration level. A Hypoid gear set, bearings, tubular shaft and housing are the major components in the PTU. This work is carried out at GKN Automotive which specializes in development of Automotive All wheel drive systems. When developing such geared systems one important characteristic analyzed is the noise and vibration it generates. And for companies like GKN it is desirable to predict these characteristics as early as possible for two reasons, to avoid late design changes and to speed up the product development cycle. To achieve this, a validated virtual model which is computationally efficient is desired. The methodology followed contains of two facets, development of the MBS model and validation of the developed model with physical testing. An integrated MBS-FEM approach is used, an FE modal reduction technique is used to create flexible components with which a virtual prototype is built and simulated in an MBS tool MSC ADAMS c . Gear contact and bearings are defined using an analytical approach which considers the nonlinear stiffness and damping. A dynamic analysis and system level modal analysis is performed to predict the TE, housing vibrations and PTU modal parameters. Experimental modal analysis and physical testing on test rig are performed to measure the actual values of the above predicted outputs. Parameters like damping, contact stiffness of the model are then tuned to achieve correlation. When comparing test and prediction, close correlation is seen in the TE and for housing vibration a similar trend is observed with some deviations. Predicted TE is heavily dependent on gear contact parameters. On the modal parameter comparison, a correlation of five modes and mode shapes below 2500Hz is seen which shows the validity of the MBS model. Parameter studies are performed to study the effect of bearing damping and preload on housing vibrations and TE. It is observed that an optimum value of preload and damping is essential to avoid unnecessary vibrations. In conclusion, the model with some fine tuning of damping parameters can be used for virtual noise and vibration analysis of the PTU. / Detta arbete beskriver anv¨andningen av beräkningsmetoden Multi-Body Simulation (MBS) för att skapa en virtuell prototyp av en vinkelväxel (Power Transfer Unit, PTU ). PTU är ett delsystem för fyrhjulsdrift som har funktionen att överföra kraft mellan fram- och bakaxlar i en bil. Målet med att utveckla modellen är att simulera PTUns dynamiska beteende. Fokus ligger på att beräkna vinkelväxelns transmissionsfel och vibrationsnivåer på växellådans hus. De vikitgaste komponenterna i PTUn är hypoidväxeln med kronhjul och pinjong, röraxel, lager och hus. Detta arbete har utförts på GKN Automotive som är specialiserade på utveckling av drivsystem för fyhjulsdrivna bilar. Ljud och vibrationer är viktiga egenskaper att ta hänsyn till under utvecklingen. För företag som GKN är det önskvärt att kunna beräkna dessa egenskaper så tidigt i projektet av två skäl: dels för att undvika sena konstruktionsförändringar och dels att påskynda produktutvecklingscykeln. För att uppnå detta behövs en validerad virtuell modell som är beräkningseffektiv. Den metod som använts innehåller två delar: utveckling av MBS-modellen och validering av den utvecklade modellen med fysisk testning. En integrerad MBS-FEM -mettod har använts. Det innebär att en FE-modal reduktionsteknik andvänds för att skapa flexibla komponenter med vilka en virtuell prototyp byggs och simuleras i ett MBS-verktyg (MSC ADAMS (c) ). Lager och kuggkontakt i växeln definieras med hjälp av en analytisk metod som beaktar den olinjära styvheten och dämpningen. En dynamisk analys och modalanalys på systemnivå har utförts för att beräkna TE, husvibrationer och PTUns modala parametrar. Experimentell modalanalys och testning i rigg gjorts för att mäta motsvarande värden som har beräknats. Parametrar som dämpning och kontaktstyvhet har sedan justerats för att uppnå korrelation. Vid jämförelse av test och förutsägelse ses en god korrelation i TE och för husvibrationer observeras en liknande trend, med vissa avvikelser. Beräknat TE är starkt beroende på parametrar för kuggkontakten i växeln. Vid jämförelse av modala parametrar ses en god korrelation under 2500 Hz mellan fem moder i mätning och beräkning vad gäller frekvens och modform, vilket visar MBS-modellens giltighet. Parameterstudier har utförts för att studera effekten av lagerdämpning och förbelastning på TE och husvibrationer. Ett optimalt värde på förbelastning och dämpning är viktigt för att undvika onödiga vibrationer. Sammanfattningsvis kan modellen med viss finjustering av dämpningsparametrar användas i virtuell ljud- och vibrationsanalys av PTU.

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.

Vinkelväxlar och slutväxlar spelar en viktig roll för kraftöverföringen mellan motor och hjuli fyrhjulsdrivna bilar. Med en ökande konkurrens finns en efterfrågan för att ständigt förbättraeffektivitet, ljudgenereringegenskaper och hållfasthet. För att uppnå detta krävs en bättreförståelse av systemets dynamiska egenskaper. En detaljerad numerisk dynamisk modell ärdock ofta beräkningsmässigt tung och tidskrävande. Verktygen för den dynamiska modelleringenbehöver bli mer effektiva och i vissa fall kan en kombinationen av två verktyg vara ett bättrealternativ. Denna integrerade plattform kan användas för att effektivt modellera dynamiken ochfå en bättre inblick i systemts beteende.Vinkelväxlen är en enhet vars funktion är att fördela kraften mellan fram- och bakaxel. De viktigastekomponenterna i vinkelväxeln är en hypoid-drevsats och en klokoppling, som aktiveras närkraft ska överföras till bakaxeln via kardanaxeln. Detta arbete modellerar dynamiskt beteendei vinkelväxeln och har sytftet att beräkna transmissionsfelet i systemet och dess effekt somexciteringskälla av ljud och vibrationer i systemet. MSC ADAMS har använts för Multi-Bodyberäkningsverktyg för modelleringen.Det beräknade transmissionsfelet har jämfört med testresultat. Dessutom har en co-simuleringmed både ADAMS och SIMULINK genomförts för att skapa en bas för tillämpa optimeringsalgoritmer.Bultarna i bultförbandet samt deras styvhet och förspänning har inkluderats i modellenoch studerats med avseende på effekten på vibrationer i kopplingspunkter, samt algoritmerför optimering har föreslagits. Korrelationen mellan test och beräkning var mycket god, ochdessutom har förslag på hur denna typ av beräkning kan förbättras ytterligare givits. / Automotive drive units play an important role in transmitting power from an engine to the wheels.In today’s competitive world, there is an increasing demand for these devices to be more efficient,quiet, and reliable at the same time. In order to achieve this, a better understanding of system’sdynamic behavior is necessary. A detailed dynamic model of a system is often computationallyintense to solve and time consuming. This demands more efficient tools to be developed and insome cases integrating two or more tools would be a better option. The integrated platform can beused to effectively model the dynamic behavior of a system and get better insights on the systembehavior.Power Transfer Unit (PTU) is a device whose function is to distribute power between a front axleand rear axle. This unit basically includes hypoid gear set and a dog clutch that is engaged whenthere is a requirement to transfer power to the Rear Drive Unit (RDU) through prop shaft. Thismaster thesis describes modeling the dynamic behavior of a PTU with a goal of predicting thetransmission error in the system and its effect as a source of excitation on the entire unit followedby studying system response to this type of excitation. MSC ADAMS was used as a Multi-BodySimulation tool to model the dynamic behavior of the PTU.The transmission error predicted by the simulation was compared with the test results, a cosimulationbetween SIMULINK and ADAMS was established in order to create a platform toapply optimization algorithms. The bolt and bearing stiffness were incorporated in the model andtheir effect on the mounting point accelerations and bearing point accelerations were studied. Itwas found that the bolt stiffness affects the acceleration levels at the coupling points and suitablealgorithms could be applied in order to find an optimum value. As a result of the good correlationbetween test and simulation data, some other useful conclusions have been derived in order todevelop this approach of modeling.