Browsing by Author "Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing)"

Now showing 1 - 2 of 2

Open Access
Einfluss von Drehungleichförmigkeiten auf die Zahnradlebensdauer in Fahrzeuggetrieben
(2013) Wacker, Michael; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing)
Um den Einfluss der Drehmomentungleichförmigkeiten auf die Lebensdauer von Antriebstrangkomponenten untersuchen zu können, wurde am Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart ein hochdynamischer Lastprüfstand aufgebaut. Dieser Prüfstand eignet sich zur dynamischen Prüfung von Antriebstrangkomponenten. Durch die hohe Dynamik der Antriebsmaschine können Drehmomentungleichförmigkeiten ähnlich einem Verbrennungsmotor nachgebildet werden. Um den grundlegenden Einfluss von Drehmomentungleichförmigkeiten nachzuweisen, wurde ein verdrehsteifes einstufiges Prüfgetriebe aufgebaut. Mittels diesem Aufbau konnte die B10-Wöhlerlinie des Antriebsrades hinsichtlich der Schadensart Zahnbruch ermittelt werden. Die Schwingungsüberlagerung erfolgte in drei Schritten jeweils prozentual über dem Mittelwert der Belastungsstufe. Alle Versuchsergebnisse der jeweiligen Belastungshorizonte wurden in der Auswertung anhand der dreiparametrischen Weibullverteilung analysiert und ausgewertet. Relativ zur ermittelten Wöhlerlinie unterschiedlicher Ausfallwahrscheinlichkeiten können nun die schwingungsüberlagerten Versuchsdaten betrachtet werden. Der Lebensdauereinfluss mit Drehmomentschwingungsüberlagerung in Analogie zum Vier-Zylinder-Verbrennungsmotor wird in dieser Arbeit in einem Grundlagenversuch auf dem hochdynamischen Lastprüfstand dargestellt. Um den Einfluss rechnerisch in der Zahnradberechnung einfließen zu lassen, wurde über eine zeitdiskrete Klassierung eine Häufigkeitsverteilung der Schwingungsanregung gebildet. Ausgehend von dieser Häufigkeitsverteilung kann das Lastkollektiv der überlagerten Schwingungen abgeleitet werden. Mittels der Schadensakkumulationshypothese lässt sich nun der Einfluss zum einstufigen Wöhlerversuch rechnerisch ermitteln. Die theoretische Übertragung der Drehmomentungleichförmigkeiten in die Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern (DIN 3990) kann hierbei über den Anwendungsfaktor realisiert werden. Ein reales oder aus der Fahrsimulation erzeugtes Lastkollektiv wird üblicherweise über der Belastungsgröße klassiert, wobei die Drehmomentschwingungsinformation hierbei nicht erfasst wird. Anhand der aus dem Versuch gewonnenen Einflussfaktoren der Drehmomentungleichförmigkeit lässt sich mit der Schadensakkumulationshypothese die Lebensdauer einer Getriebestufe mit Drehmomentungleichförmigkeiten eines Verbrennungsmotors relativ zur Konstantbelastung (ohne Drehmomentschwingungsüberlagerung) ermitteln. Der Lebensdauereinfluss der Drehmomentungleichförmigkeit eines Verbrennungs-motors wurde in dieser Arbeit im Versuch ermittelt, mit Berechnungsverfahren simuliert und abgeglichen. In einem Beispiel konnte mit einem aus der Fahrsimulation gewonnenen Lastkollektiv die Lebensdauer einer Getriebeverzahnung unter Berücksichtigung der Drehmomentschwingungen eines Verbrennungsmotors exemplarisch ermittelt werden.
Open Access
Transiente Kontaktberechnung bei Fahrzeuggetrieben
(2013) Fietkau, Peter; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing)
Die Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Komfort und Emissionen bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen nehmen stetig zu. Hierbei hat das Fahrzeuggetriebe großen Einfluss auf diese Faktoren. Ziel ist es, möglichst früh im Entwicklungsprozess Aussagen zu wesentlichen Leistungsmerkmalen des Getriebes wie Lebensdauer und Komfort treffen zu können. Vor dem Hintergrund knapper werdender Entwicklungsressourcen und gestiegener Anforderungen spielt dabei die Simulation eine wichtige Rolle. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der rechnerischen Bestimmung des Getriebegeräusches sowie der innerhalb des Getriebes auftretenden Kräfte und Schmierzustände, die die Lebensdauer maßgeblich beeinflussen. Um simulative Aussagen über diese Größen treffen zu können, ist eine passende Beschreibung der transienten, d. h. zeitveränderlichen Kontakte essentiell. Zu diesen Kontakten zählen Verzahnungen, Schaltelemente, Wälzlager und Gleitlager. Ziel war es, für diese transienten Kontakte Modellierungsverfahren zu erarbeiten. Zudem wurden Methoden zur Simulation des restlichen Getriebes entworfen. Hierdurch ist es möglich, gesamte Getriebe einzig unter Vorgabe der Drehmoment- und Drehzahlrandbedingungen am Ein- und Ausgang abzubilden. Der Fokus der Anwendung der Methoden lag auf der Bestimmung der Klapper- und Rasselgeräusche. Dennoch wurden die Verfahren auch herangezogen, um Heul- und Pfeifgeräusche sowie Belastungen und Schmierzustände zu bestimmen. Die Zahnräder wurden mit in Umfangsrichtung flexiblen Zähnen und verformbaren Zahnflanken abgebildet. Es wurde an den Flanken der allgemeine Fall einer piezoviskosen elasto-hydrodynamischen Schmierung angenommen. Mischreibungszustände, Festkörperkontakt sowie der Einfluss der Oberflächenrauheit fanden Berücksichtigung. Bei den Schaltelementen wurden nur Synchronisierungen untersucht. Die Synchronringe wurden mit starrer Oberfläche modelliert. Alle Kontaktgeometrien zu benachbarten Bauteilen wurden vereinfachend analytisch beschrieben und ein isoviskoser hydrodynamischer Schmierzustand angenommen. Gleitlager wurden analog zu den Synchronringen behandelt, d. h. es wurde eine isoviskose hydrodynamische Schmierung bei einer starren Bauteiloberfläche angenommen. Die Wälzlager wurden durch nichtlineare Kennfelder beschrieben. Diese Kennfelder wurden in einer Vorabberechnung unter Berücksichtigung der genauen Kontaktsituation an den Wälzkörpern bestimmt. Die Implementierung aller Verfahren erfolgte modular als benutzerdefinierte Kraftelemente für die kommerzielle Mehrkörper-Simulationssoftware SIMPACK. Hierdurch wurden die größtmögliche Übertragbarkeit auf andere Problemstellungen sowie die Wiederverwendbarkeit von Modulen gewährleistet. Anschließend wurde die Modellbildung des restlichen Getriebes betrachtet. Hierbei wurden der generelle Aufbau der verwendeten elastischen Mehrkörpermodelle sowie die Schleppmomentmodellierung behandelt. Ziel war es Verfahren zu entwickeln, die das Schwingverhalten eines Getriebes in einem Frequenzbereich von bis zu 10 kHz realitätsgetreu beschreiben. Auf die Beschreibung der Modellierung folgte der Abgleich mit Messungen. Hierzu wurde zunächst ein vorhandener Prüfstand für die bevorstehenden Messaufgaben modifiziert und modernisiert. Parallel wurde ein Prüfgetriebe mit einer einzelnen Zahnradstufe entwickelt und aufgebaut sowie ein Simulationsmodell von diesem entworfen. Anschließend erfolgte der eigentliche Abgleich zwischen Messung und Simulation. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass Messung und Rechnung gut korrelierten. Im nächsten Schritt wurden Parameterstudien an Verzahnungen und Synchronisierungen durchgeführt. Besonderer Wert wurde hierbei auf die für die erarbeiteten Modellierungsverfahren charakteristischen tribologischen Parameter gelegt. Es wurden sowohl zeitliche Verläufe wichtiger Größen wie Normalkraft, Festkörperkontaktkraft und Schmierfilmdicke als auch integrale Kenngrößen wie Anregungspegel oder Wirkungsgrad für verschiedene Eingabeparameter untersucht. Zudem wurden mit Hilfe der numerischen Lösungsverfahren die Druckverteilungen auf den Zahnflanken und die dreidimensionale Spaltgeometrien berechnet. Abschließend wurden in tabellarisch übersichtlicher Form die grundsätzlichen Einflüsse wesentlicher Parameter auf die Hauptkenngrößen der Kontakte dargestellt. Im letzten Schritt wurde die Praxistauglichkeit der Methoden anhand einer Anwendung auf ein komplettes Fahrzeuggetriebe aufgezeigt. Es wurde hierzu ein Doppelkupplungsgetriebe für Fahrzeuge mit Standardantrieb ausgewählt. Dessen Klapper- und Rasselgeräuschverhalten wurde in unterschiedlichen Schaltstellungen betrachtet und der Einfluss der Vorwahlstrategie behandelt. Zum Abschluss wurden zwei Maßnahmen zur Geräuschreduzierung, eine Repositionierung der Ölpumpe sowie eine Abkopplung einer Vorgelegewelle, auf ihre Wirksamkeit hin untersucht. Mit beiden Maßnahmen ließ sich eine Geräuschreduktion nachweisen.