Model-based analysis of thrust washer bearings in heavy trucks

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