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.

Dieser Beitrag stellt einen Ansatz zur Steigerung der Ausbringung von Verarbeitungsmaschinen vor, der besonders bei der Umsetzung von Handhabungsaufgaben mittels dezentraler Antriebe wirkungsvoll angewandt werden kann. Ausgehend von einer Analyse bisheriger Ausbringungsbegrenzungen wird ein Konzept vorgestellt, welches Prozessmodelle, deren Nutzung in Bewegungsoptimierungen und die Abarbeitung mit Motion-Control-Systemen beinhaltet. Experimentelle Nachweise an Beispielprozessen, die den Erfolg des beschriebenen Ansatzes zeigen sowie weiterführende Gedanken bilden den Abschluss des Beitrages.

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer 3-jährigen Promotionstätigkeit bei der Volkswagen AG. Der erste Teil der Arbeit wurde bei der Aggregateentwicklung Akustik EGNE in Wolfsburg absolviert. Der zweite Teil wurde in der Qualitätssicherung Akustik Getriebe COK-Q3/3 in Kassel bearbeitet. Sie beschäftigt sich mit dem Ableiten fahrzeugnaher Anregungsrichtwerte für aggregatseitige Beschleunigungspegel eines Getriebes im Hinblick auf die akustische Wahrnehmbarkeit von Störgeräuschen im Fahrzeuginnenraum. Als Störgeräusche werden in diesem Zusammenhang in erster Linie tonale Verzahnungsordnungen betrachtet. Durch das Erstellen einer messtechnischen Referenz anhand zahlreicher Fahrzeugmessungen und die Programmierung eines entsprechenden Frameworks in Python werden diese Richtwerte aus gemessenen Beschleunigungspegeln abgeleitet. Ferner beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Klassifizierung von Getrieben hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften, speziell an sogenannten End-Of-Line-Prüfständen. Diese Prüfstände dienen am Ende von Fertigungslinien der Funktionsprüfung eines Bauteils. Für das Getriebe wird in diesem Rahmen ebenfalls eine akustische Prüfung durchgeführt. Zur Bewertung der Korrelation zwischen gemessenen Beschleunigungspegeln am EoL-Prüfstand und korrespondierenden Beschleunigungs- bzw. Luftschallpegeln im Fahrzeug wurden Messungen auf verschiedenen Prüfstandumgebungen durchgeführt, deren Analyse Erkenntnisse zur Erhöhung dieser Korrelation liefert. Zu diesem Zweck werden aus gemessenen Beschleunigungspegeln Features extrahiert, die anschließend für eine akustische Klassifizierung der Getriebe mit einem maschinellen Lernalgorithmus verwendet werden. Es lässt sich zeigen, dass der Einsatz einer Support-Vector-Machine die vorherrschende EoL-Klassifikation bezüglich der genannten Korrelation in Teilen verbessern kann.:Erklärung des Autors Bibliografische Beschreibung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Fahrzeugmessungen und Hörversuch 4 End-Of-Line Prüfung und Universalgetriebeprüfstand 5 Tonales Kriterium, Anregungsrichtwerte und Klassifizierung 6 Ergebnisse 7 Diskussion Anhangsverzeichnis Literaturverzeichnis / The presented thesis has been developed during a three year graduation at the Volkswagen AG. It was split in two parts. The first part was passed in the technical development acoustics (EGNE) in Wolfsburg and the second one in the quality assurance acoustics (COK-Q3/3) in Kassel. It deals with the determination of vehicle related limit values for accelerations of gear boxes regarding the acoustic comfort in the car. Disturbing noise is primary seen as so called orders of the gear wheels. By developing a ground truth doing several measurements in vehicles and by programming a framework in python those limit values are derived. Furthermore this thesis describes the classification of gear boxes regarding the acoustic characteristics in particular at so called End-Of-Line test benches. These test benches are used for functional check and in case of gear boxes as well as for the acoustic rating. Several measurements have been done at different test benches in order to increase the correlation between the test bench results and the subjective acoustic comfort of vehicles. Therefor several features are extracted from the acceleration measurements and used for a classification by hint of a machine learning approach. It becomes apparent that the use of a support vector machine is able to partly improve the status quo end of line testing regarding the named correlation.:Erklärung des Autors Bibliografische Beschreibung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Fahrzeugmessungen und Hörversuch 4 End-Of-Line Prüfung und Universalgetriebeprüfstand 5 Tonales Kriterium, Anregungsrichtwerte und Klassifizierung 6 Ergebnisse 7 Diskussion Anhangsverzeichnis Literaturverzeichnis

One way to tackle the climate change society is facing today is through the change to renewable energy sources, such as wind power. Today, a trend when it comes to technology is that products are evolving into becoming more cyber-physical systems (CPS) by integrating functions realized with mechanics, control and communication. One challenge for CPS is to find cost-effective and reliable sensor solutions.  The purpose of this project is to lay the foundations for an intelligent CPS with the help of sensors and condition monitoring methods that, with further development, can reduce the downtime of a wind turbine. Thus, the reliability of the wind turbine and the profitability of its investors increase. The aim of the work is to develop an overall concept for a sensor package with analysis methods that enable real-time diagnosis in the gearbox of a wind turbine. This sensor package should be able to monitor the most common problems that arise in the gearbox and it should also be able to be used as a basis for a possible development of a CPS in the future.  The work is based on an information search that enables the creation of a list of requirements. This then forms the basis for concept generation through the use of a function/means tree and concept evaluation through the use of elimination matrix, weight determination matrix and weighted criteria matrix.  The work concludes that there are four main types of failures that occur in the gearbox and that should be monitored. These are scuffing, micropitting, propagation of cracks and bearing failure. The final concept uses vibration analysis for monitoring of micropitting, crack propagation and bearing failure, oil analysis for monitoring of scuffing and micropitting and temperature measurement for monitoring of scuffing and bearing failure. For vibration analysis, piezoelectric sensors are used, for oil analysis electromagnetic sensors and for temperature measurement resistance thermometers are used.  The work finds that it is appropriate in this day and age to use well-established methods for condition monitoring in the gearbox of wind turbines. / Ett sätt att tackla de klimatförändringar samhället står inför idag är genom omställningen till förnybara energikällor, såsom vindkraft. Idag är en trend när det kommer till teknik att produkter utvecklas till att allt mer bli cyberfysiska system (CPS) genom att de integrerar funktioner som realiseras med mekanik, reglering och kommunikation. En utmaning för CPS är att hitta kostnadseffektiva och tillförlitliga sensorlösningar.  Syftet med detta projekt är att lägga grunden till ett intelligent CPS med hjälp av sensorer och tillståndsövervakningsmetoder som med vidare utveckling ska kunna minska stilleståndstiden hos ett vindkraftverk. Således ökar tillförlitligheten hos vindkraftverket samt räntabiliteten för investerarna av dessa. Arbetets mål är att utveckla ett övergripande koncept för ett sensorpaket med analysmetoder som möjliggör realtidsdiagnos i växellådan hos ett vindkraftverk. Detta sensorpaket ska kunna övervaka de vanligaste problemen som uppstår i växellådan och ska kunna användas som grund för eventuell utveckling av ett CPS i framtiden.  Arbetet grundas i en informationssökning som möjliggör skapandet av en kravspecifikation. Denna ligger sedan till grund för konceptgenerering genom användandet av funktions/medelträd samt konceptutvärdering genom användandet av elimineringsmatris, viktbestämningsmatris samt kriterieviktsmetoden.  I arbetet framkommer att det finns fyra huvudsakliga skador som uppkommer i växellådan och som bör övervakas. Dessa är scuffing, mikropitting, sprickpropagering och lagerhaveri. Det slutgiltiga konceptet använder vibrationsanalys för övervakning av mikropitting, sprickpropagering och lagerhaveri, oljeanalys för övervakning av scuffing och mikropitting samt temperaturmätning för övervakning av scuffing och lagerhaveri. Vid vibrationsanalys används piezoelektriska sensorer, vid oljeanalys elektromagnetiska sensorer och för temperaturmätning resistanstermometrar.  Arbetet konstaterar att det i dagsläget är lämpligt att använda väletablerade metoder för tillståndsövervakning i växellådan hos vindkraftverk.

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Untypische Zahnradgetriebebauformen ermöglichen es, die technische Grenzen von Standardgetriebeformen zu überwinden. Beispielsweise ermöglicht das perizyklische Getriebe oder das triaxiale Getriebe „Hypogear“, eine sehr hohe Übersetzung auf kompaktem Bauraum zu realisieren. Zur Gewährleistung der korrekten Funktionsweise sind bei der Getriebeentwicklung mehrere Einbaubedingungen zu beachten. Diese werden im Rahmen des Beitrages zunächst anhand einer Standard – Planetenradgetriebebauform vorgestellt. Im Anschluss folgt eine Anwendung sowie die Erweiterung der Einbaubedingungen auf mehrere untypische Zahnradgetriebe. Hierfür wird das triaxiales Getriebe „Hypogear“, Planetenradgetriebe mit vollem Planeteneingriff, exzentrische Planetenradgetriebe mit unterschiedlich großen Planetenrädern und perizyklische Getriebe betrachtet. / Special gearbox designs make it possible to overcome the technical limits of standard gearbox designs. For example, the pericyclic gearbox or the triaxial gearbox 'Hypogear' makes it possible to realize a very high transmission ratio in a compact installation space. To ensure correct functioning, several assembly conditions must be taken into account during gearbox development. These are first explained using a standard planetary gearbox design as an example. This is followed by an application and the extension of the assembly conditions to several special gearbox designs. For this purpose, the triaxial gearbox 'Hypogear', a full planet engagement planetary gear train, eccentric planetary gearboxes with planet wheels of different sizes and pericyclic gearboxes are analyzed.

Electro Hydrostatic Actuators (EHA) are emerging as a viable option for industrial machine builders as the design combines the best of both electro-mechanical and electro-hydraulic technologies. The EHA is a highly integrated, compact alternative to traditional hydraulic solutions. Automation engineers moving toward electro-mechanical actuation in pursuit of energy efficiency and environmental cleanliness, will find an EHA an attractive option for high force density actuators. This paper will address the factors to consider when assessing an industrial machine’s application suitability for this latest innovation in actuation. It describes principal base circuits, a concept for EHA building blocks and a realized pilot application as well as challenges on actuator and components level.

Der von der Firma ibb durch Herrn Mirko Krimmel geplante Vortrag im Rahmen der Saxsim 2014, umfasst die Vorgehensweise zur Entwicklung einer Getriebebaureihe als Top-Down Design. Dabei werden die Bauteilauslegungen und Festigkeitsberechnungen mit Mathcad nach der FKM-Richtlinie 2012 vorgestellt, sowie die Möglichkeit gezeigt, Mathcad als übergreifendes Steuerelement für das Skelettmodell nutzen zu können. Weitere Punkte des Vortrags behandeln die Auslegung und Simulation des Gehäuses und der Gesamtbaugruppe mit Creo Simulate 2.0. Anhand der Überprüfung des Verdrehwinkels an der Abtriebsseite infolge von elastischer Verformung der einzelnen Bauteile, zeigen die Stärken des Programms. Eine parallel zur Entwicklung laufende Simulation mit MDX bestätigte die in Mathcad errechneten Werte und lieferte so gleichzeitig eine Verifizierung der 3D-Daten. Referierende Person ist Herr Mirko Krimmel (interne Konstruktion in Petersberg).

Ces travaux de thèse ont été réalisés grâce à une collaboration entre Safran Helicopter Engines (anciennement Turbomeca) et le Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (LaMCoS) de l’INSA de Lyon (UMR CNRS 5259). Les boîtes de transmission par engrenages des moteurs d’hélicoptères convoient la puissance mécanique du turbomoteur aux accessoires (pompes, démarreur) et au rotor. Leur conception dépend des nécessités des équipements embarqués, en particulier l’allègement pour réduire la consommation en carburant. Les engrenages haute vitesse de la transmission sont allégés grâce à des enlèvements de matière dans les corps sous la denture, les voiles-minces. Un modèle dynamique d’engrenages a été développé pendant ce projet de recherche. Son approche modulaire permet l’inclusion conjointe des sollicitations dues aux vibrations de l’engrenage et de la nouvelle flexibilité des voiles-minces. Il dérive d’un modèle à paramètres concentrés, comprenant des arbres en poutre, des paliers et carters sous forme de raideurs additionnelles et un élément d’engrenage rigide inclus par son nœud central. Hypothèse est faite que tous les contacts sont situés sur les lignes de contact du plan d’action. Ces lignes sont discrétisées selon des tranches-minces dans les dents et la déviation normale des cellules est recalculée à chaque pas de temps selon la déflexion de la denture. Le nouveau modèle remplace l’engrenage rigide par une modélisation EF du pignon et/ou de la roue condensée sur les nœuds de jante. Une interface lie les raideurs du plan d’action discrétisé aux éléments finis du corps d’engrenage. L’élément prend donc en compte à la fois les sollicitations de l’engrenage et le comportement statique et modal des corps flexibles en dynamique. Des comparaisons sont faites avec des données numériques et expérimentales. Elles attestent de la capacité du nouveau modèle à prédire le comportement dynamique des engrenages flexibles à hauts régimes de rotation. Ces résultats intègrent entre autres des données locales et globales en dynamique. Finalement, le modèle est utilisé sur les deux cas académiques validés pour visualiser les effets des corps flexibles plus en détails. Un premier focus sera fait sur la déflexion statique due aux charges d’engrènement et sur l’optimisation sur le fonctionnement dynamique possible. Puis, les impacts des sollicitations de l’engrènement sur le voile en rotation seront étudiés. Enfin, le pignon et la roue seront affinés, afin de visualiser l’optimisation massique possible et son impact sur la dynamique de l’engrenage. / The research work presented in this manuscript was conducted in the Contact and Structural Mechanics Laboratory (LaMCoS) at INSA Lyon, in partnership with Safran Helicopter Engines (formerly-Turbomeca). In helicopters, the power from the turboshaft is transmitted to the rotor and the various accessories (pumps, starters etc…) via transmission gearboxes. In the context of high-speed, light-weight aeronautical applications, mechanical parts such as gears have to meet somehow contradictory design requirements in terms of reliability and mass reduction thus justifying precise dynamic simulations. The present work focuses on the definition of modular gear dynamic models, capable of integrating both the local phenomena associated with the instant contact conditions between the tooth flanks and the more global aspects related to shafts, bearings and particularly the contributions of light thin-rimmed /-webbed gear bodies. The proposed models rely on combinations of condensed sub-structures, lumped parameter and beam elements to simulate a pinion-gear pair, shafts, bearings and housing. Mesh elasticity is time-varying, possibly non-linear and is accounted for by Winkler foundations derived from a classic thin-slice model. The contact lines in the base plane are therefore discretised into elemental segments which are all attributed a mesh stiffness function and a normal deviation which are updated depending on the pinion and gear angular positions. The main originality in this PhD consists in inserting condensed finite elements models to simulate flexible gear bodies while keeping the simple and faster rigid-body approach for solid gears. To this end, a specific interface has been developed to connect the discretised tooth contact lines to the continuous finite element gear body models and avoid numerical spikes in the tooth load distributions for example. A number of comparisons with numerical and experimental results show that the proposed modelling is sound and can capture most of the quasi-static and dynamic behaviour of single stage reduction units with thin-webbed gears and/or pinions. The model is then applied to the analysis of academic and industrial gears with the objective of analysing the contributions of thin, flexible bodies. Results are presented which highlight the role of centrifugal effects and tooth shape modifications at high speeds. Finally, the possibility to further improve gear web design with regard to mass reduction is investigated and commented upon.