Einflüsse auf die Lebensdauer von Bus-Automatgetriebegehäusen

Abstract

Aufgrund des weltweit steigenden Verkehrsaufkommens nimmt die Anzahl der Stadt- und Überlandbusse ständig zu. Stadtbusse weisen im Gegensatz zu anderen Fahrzeugarten einen charakteristischen Fahrzyklus auf, der durch häufige Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge gekennzeichnet ist. Die Antriebsstrangkonfiguration, d. h. die Anordnung von Motor, Getriebe und angetriebenen Achsen von Bussen ist äußerst vielfältig. Daraus ergeben sich unterschiedliche Abtriebsvarianten für Getriebe, die in vielen Bussen zum Einsatz kommen sollen. Im Nutzfahrzeugbereich finden Automatgetriebe überwiegend in Stadtbussen ihre Anwendung. Die wesentlichen Gestaltungsmerkmale von Automatgetrieben werden ermittelt. Daraus wird der Aufbau eines Prinzipgehäuses abgeleitet. Des weiteren werden verschiedene Antriebsstrangkonfigurationen untersucht. Die Belastungen der Gehäuse sind insbesondere auf die Längsdynamik des Busses, auf Fahrbahnunebenheiten und auf Schwingungen zurückzuführen. Aufgrund der Längsdynamik entstehen am Getriebegehäuse Momente durch Kupplungen und den Retarder sowie Lager- und Stützkräfte. Der Einsatz eines Getriebetyps in unterschiedlichsten Fahrzeugen auf verschie-densten Strecken, führt zu einem breiten Belastungsspektrum der Bauteile. Neben der Drehmomentenkapazität des Motors sind für die Belastung der Getriebebauteile das Fahrzeuggewicht, die Achsübersetzung, das Schaltprogramm, die Topografie der Strecke und das Geschwindigkeitsprofil des Fahrzeugs von entscheidender Bedeutung. Hierzu ist die Bestimmung repräsen-tativer Streckendaten von großer Bedeutung. Basierend auf einer repräsentativen Anzahl an Messdaten bzgl. Topografie und Geschwindigkeit von realen Einsätzen werden die zeitabhängigen Belastungen sowie der Verbrauch und weitere Fahrparameter mittels Antriebsstrangsimulation ermittelt. Die Belastungen infolge von Lagerkräften, Kupplungsreaktionskräften und Retardermoment usw. werden an unterschiedlichen Stellen in unterschiedlichen Richtungen nicht proportional über der Zeit zueinander am Gehäuse abgestützt. Das bedeutet, dass eine mehrachsige Belastung vorliegt. Die Beanspruchungen werden mit Hilfe der Finiten-Element-Methode berechnet. Die Belastungen werden an den entsprechenden Stellen als Einheitslasten wirkend auf das Gehäuse bzw. die Anbauteile aufgebracht. Durch entsprechende Wahl der Lasten ist es möglich, z. B. dynamische Belastungen aufgrund des Schaltvorgangs in der Lebensdaueranalyse zu berücksichtigen. Die Beanspruchungen infolge multiaxialer Belastung werden für jeden Einheits-lastfall berechnet. Die Beanspruchung zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch Linearkombination der Beanspruchungen von den Einheitslastfällen mit den entsprechenden Lasten bestimmt. Die Kenntnis über den Zusammenhang zwischen Betriebsgröße und Bauteille-bensdauer hilft kritischere und weniger kritische Betriebsgrößen zu identifizieren sowie die Folgen der Änderung von Betriebsgrößen abzuschätzen. Unter anderem wurde der Einfluss der Durchschnittsgeschwindigkeit, die Anzahl der Stopps pro Kilometer, die Anzahl der Schaltungen, der Verbrauch, die Be-schleunigung, die Steigung und die Masse des Busses betrachtet. Der Einfluss verschiedener Abtriebsvarianten auf die Lebensdauer der Gehäuse wird außerdem betrachtet. Diese Parameter werden der Schädigung des Gehäuses gegenübergestellt um Korrelationen zu erkennen und die schädigungsverursachenden Betriebsgrößen zu ermitteln. Viele Stopps bzw. die Beschleunigungsphasen des Busses, die von einem Stopp ausgehen, führen zu einer hohen Gehäuseschädigung. Ein hoher Verbrauch tritt bei Strecken auf, bei denen eine hohe Schädigung am Gehäuse vorliegt. In einem vollbesetzten Bus wird das Gehäuse stärker beansprucht als in einem leeren Bus. In einem weiteren Schritt wird die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf Wellen und Zahnräder untersucht. Aus diesen Erkenntnissen heraus werden bauteilbezogene kritische Belastungskollektive für Gehäuse, Wellen und Zahnräder definiert. Als wesentliche Betriebsparameter für Busautomatgetriebe haben sich die Anzahl der Stopps, die Anzahl der Beschleunigungsvorgänge, die Steigung und die Gesamtmasse des Fahrzeugs herausgestellt. Ist ein Zusammenhang zwischen einem auf eine bestimmte Streckenlänge bezogenen Fahrparameter und der Bauteilschädigung erkennbar, kann ein Einheitszyklus definiert werden. Bei der Gegenüberstellung der bezogenen Fahrparameter und der bezogenen Schädigung muss ein kritischer Fahrparameter, wie z. B. die Anzahl der Stopps, entsprechend der Korrelation zwischen Fahrparameter und Schädigung definiert werden. Aufgrund der umfangreichen Untersuchungen ist es möglich, für die Getriebe-bauteile repräsentative Lastkollektive zu definieren. Als Grundlage hierfür diente der Zusammenhang unterschiedlicher Fahrparameter und der Schädigung verschiedener Getriebeteile. Durch die Definition entsprechender Einheitszyklen ist es möglich Versuchs- und Rechenzeiten zu reduzieren.

A number of requirements are made on modern automatic transmissions. Low fuel consumption, small size and light weight have to be considered more and more in the development phase, along with a defined fatigue life and the most inexpensive manufacturing costs. The most important characteristics of a bus transmission are fatigue life and reliability. If it is overdimensioned it will be too heavy, too large and too expensive. If it is underdimensioned the customer complaints cost will be high and the reputation endangered. Usually city busses run with automatic transmissions to support the driver. Urban or travelling busses usually have a manual transmission. Compared to other vehicles, city busses show a very different driving cycle, mainly dominated by the many acceleration and deceleration phases the bus has. Up to four times per kilometre a city bus has to stop because of bus stops, traffic lights, etc. /WILLMERDING86/. The drive trains of different busses, meaning the arrangement of the engine, transmission and axles vary a lot /BRAUN94/. Therefore many transmission output variants exist for all different busses, the transmission is built into /KÖRNER02/. To develop a reliable transmission housing, the loads and stresses acting on the housing under driving conditions have to be known. While the loads depend on the vehicle characteristics (mass, drive train arrangement, etc.), driver and the route, the stresses depend on the load and the design. The focus of this work is not to develop a relation between load and stress of transmission housing but to figure out dependencies between driving conditions and the fatigue life of transmission housings. There is only limited knowledge about the relation between the driving condi-tions of busses and the damage on the housing. Furthermore it’s unknown how different drive train configurations affect the fatigue life of the housing. The aim of this work is to determine the driving conditions of busses which cause the main damage on the transmission housing. These critical driving conditions are used to develop critical test cycles. Current fatigue life calculation theories do not give accurate absolute fatigue life values for complex parts under multi-axle loads /BUXBAUM83, FKM02B/. But they can be used to determine critical areas and furthermore the results are valid for a relative comparison to see the relative influence of different parameters /FKM02B/. To determine the time-dependent loads, drive-train simulation programs and measured data were used. The behavior of the housing structures was modeled using finite element analyses. The stresses acting on the housings were determined for each relevant single-load case and superimposed for each moment in time. On the one hand a Voith transmission housing was analysed while on the other hand a principal automatic transmission housing was developed and investigated. With local fatigue life concepts the damages of the housings, caused by different routes, were determined. It was found that the damage, resulting from driving-conditions like acceleration and deceleration of the bus, is much higher than the damage caused by engine vibrations or bumps on the road. Furthermore the damage of the housing on a highway trip is much less than on a city trip with the same distance. The number of stops on a trip correlated strongly with the damage caused on the housing. Also the number of shifts correlates with the damage if there are not unusual many shifts in higher gears. A huge fuel consumption was found where a high damage was caused on the housing. The damage on the housing of a full bus is up to two times higher than in an empty bus. The results where used to define characteristic driving conditions for further tests or simulations.