Modeling of a Gear Test Rig : An Investigation of Static Loads and Dynamic Excitation of Vibrations

• Main Author: Hugoh, Albin
• Format: Others
• Language: English
• Published: Karlstads universitet, Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap (from 2013) 2019
• Subjects: Mechanical Engineering; Maskinteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kau:diva-74331

Today the automotive industry is going through big changes and facing many new challenges due to the transformation to a sustainable transport solution in combination with tougher legal demands. Gears have been around for a long time and it is one of the most efficient ways of transferring rotary motion from one shaft to another. Transmissions is a key factor in order to transfer the rotary motion from the engine to the wheels. Both traditional combustion engines and electric powered vehicles needs a transmission with gears. The continuously increasing demands on efficiency, noise and durability requires increased knowledge about gears, especially about gear dynamics and how vibrations are excited and transferred to the gearbox for different mesh frequencies. In this report, a theoretical background about gears is presented as well as the mechanisms behind the excitation of vibrations. The goal with this master thesis has been to create a validated model of a gear test rig. For the static validation, two types of gears have been used in the test gearbox. The gears in question are FZG standardized type-A gears and type-C gears. The model includes gears, shafts, bearings and housings. This model has been used for simulating static torque fluctuations as well as dynamic excitation of vibrations that is transferred to the housings, both at constant speed and with continuously increasing speed. In the dynamic analysis, only type-C gears have been used. To validate the model, vibrations have been measured on a FZG gear test rig using accelerometers and tachometer. For the static validation, torque has been measured while running the test rig at 5 rpm. The results show that it is possible to get the load clutch in the model to behave as in the test rig. It also shows that the model can register the static torque fluctuations similar to the fluctuations in the test rig. The type-C gears are better suited for the simulations and gives a better result than the type-A gears. For the type-A gears there are some numerical problems related to tip contact during meshing. The investigation of the tooth contact pressure pattern shows a good correlation between the simulations and the used type-C gear. The patterns have the same shape on the tooth flank which indicates that the contact between the teeth behave similar in the model and the test rig. For the validation of the dynamic behaviour, the gear mesh overtones have been investigated, both at constant velocity and with continuously increasing velocity. For the simulations, there are some issues related to the FEprobes placed on the gearboxes so instead the data from the inner bearings in the model have been used for the validation. The analysis of the dynamic simulations shows that it is possible to identify the tooth mesh overtones but the resonance peaks are less amplified compared to the measurements from the test rig. For the simulations with constant velocity the overtone trend correlates well with the experimental data at high speeds but at lower speed there is an amplitude peak for the firstovertone that doesn’t correlates with the measurements. As a conclusion, the model has beenstatically validated with good results while for the dynamic validation, there is still some aspects that need to be improved in order to get a good correlation between the simulations and the measurements from the test rig. Improvements suggested is to run the simulation with continuously increasing speed using more time steps in order to get more data points for the rpm spectra. It is also suggested to perform an impact hammer modal testing on the test rig in order to get a better understanding of the damping in the system. === Idag genomgår fordonsindustrin stora förändringar och står inför många nya utmaningar på grund av omställningen till en hållbar transportlösning i kombination med hårdare lagkrav. Kugghjul har funnits under en lång tid och är ett av de mest effektiva sätten att överföra rotationsrörelse från en axel till en annan. Transmissioner är en nyckelfaktor för att kunna överföra rotationsrörelse från motorn till hjulen. Både traditionella förbränningsmotorer och eldrivna fordon behöver en transmission med kugghjul. De ökande kraven gällande verkningsgrad, ljud och hållbarhet kräver mer kunskap om kugghjul, speciellt gällande kugghjulsdynamik och hur vibrationer exciteras och förs över till växellådshuset för olika kuggingreppsfrekvenser. I den här rapporten presenteras en teoretisk bakgrund om kugghjul och mekanismer som orsakar excitation av vibrationer. Målet med det här examensarbetet har varit att skapa en validerad modell av en testrigg för kugghjul. För den statiska valideringen har två typer av kugghjul använts i testväxellådan. Kugghjulen i fråga är FZG standardiserade typ-A och typ-C kugghjul. Modellen består av kugghjul, axlar, rullager och växellådshus. Modellen har använts för att simulera statiska vridmomentsfluktuationer och dynamisk excitation av vibrationer som överförs till växellådshusen, både vid konstant hastighet och för kontinuerligt ökande hastighet. I den dynamiska analysen har enbart typ-C kugghul använts. För att validera modellen har vibrationer mätts i en FZG testrigg för kugghjul genom att använda accelerometrar och takometer. För den statiska valideringen har vridmomentet mätts medans testriggen kördes med en hastighet av 5 rpm. Resultatet visar att det är möjligt att få lastkopplingen i modellen att bete sig som i testriggen. De visar också att modellen kan registrera statiska vridmomentsfluktuationer på ett liknande sätt som i testriggen. Typ-C kugghjulen är bättre lämpade för simuleringarna och ger ett bättre resultat än typ-A kugghjulen. För typ-A kugghjulen är det numeriska problem som är relaterade till toppkontakt under kuggingrepp. Undersökningen av tandkontaktsmönstret visar på god överensstämmelse mellan simulering och det använda typ-C kugghjulet. Kontaktmönstret har samma form på kuggflanken vilket indikerar att kontakten mellan tänderna sker på samma sätt i modellen som det gör i testriggen. För valideringen av det dynamiska beteendet har övertonerna för kuggingrepp undersökts, både vid konstant hastighet och för kontinuerligt ökande hastighet. För simuleringarna är det vissa problem relaterade till FEprobes som är placerade på växellådshusen så istället har data från de inre rullagren använts för validering. Analysen av de dynamiska simuleringarna visar att det är möjligt att identifiera kuggingreppsövertonerna men resonanspikarna är mindre förstärkta jämfört med mätdata från testriggen. För simuleringarna med konstant hastighet överensstämmer trenden för övertonerna väl med experimentella data vid höga hastigheter men vid lägre hastigheter är det en amplitudspik för den första övertonen som inte överensstämmer med mätningarna. Som slutsats så är modellen statiskt validerad med goda resultat medans för den dynamiska valideringen är det fortfarande vissa aspekter som behöver förbättras för att få en bättre överensstämmelse mellan simuleringar och mätningar från testriggen. Föreslagna förbättringar är att köra simuleringarna med kontinuerligt ökande hastighet med fler tidssteg för att få fler datapunkter för varvtalsspektrumet. Det föreslås också att genomföra ett knacktest på testriggen för att få en ökad förståelse om dämpningen i systemet.