The influence of rotational irregularities on the durability of gears in automotive transmissions

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.The influence of rotational irregularities on the lifetime of powertrain components is analysed using a high dynamic load test bench which is installed at the Institute of Machine Components (IMA) at the University of Stuttgart. This test bench is applicable for dynamic testing of powertrain components. Due to the high dynamic of the drive engine, high frequency torsional vibrations of gasoline or diesel engines can be simulated realistically. For detection of the basic influence of rotational irregularities a single-stage transmission with a high torsional stiffness is designed. This setup is used to determine the B10-Wöhlercurve of the pinion regarding the gear tooth failure. The torsional oscillations are superimposed to the mean value of each load level in three steps. All test results of the specific load level are analyzed using the 3-parametric Weibull-distribution. The test results with the superimposed oscillations can be refered relatively to the Wöhlercurves with different failure probabilities. In this work the influence of the torsional oscillations of a 4-cylinder combustion engine is demonstrated by fundamental tests on the high dynamic load test bench. The influence of the rotational irregularities is determined using the results of the bench tests. Applying the hypothesis of damage accumulation the durability of gears is determined in relation to the constant load (without the superposition of the rotational irregularities). The influence of the rotational irregularities is considered using the time-discrete classification. Based on this distribution the load profile of the superimposed oscillations can be determined. Applying the hypothesis of damage accumulation the influence to the single-level Wöhlertest can be identified mathematically. The rotational irregularities can also be introduced in the accumulation by using the application factor. A measured stress collective or a stress collective gained from a driving simulation tool is usually classified over the load without the information of the rotational irregularities. The influence of the rotational irregularities of a combustion engine is verified in this work using the results of the bench tests. The calculation methods have been validated and adjusted. The durability of a transmission gear (including the superposition of rotational irregularities of the combustion engine) is determined exemplary by using a stress collective generated from a driving simulation tool