Untersuchungsumgebung und Vorgehen zur Analyse der Zusammenhänge zwischen Gestaltparametern und Radialschwingungen in Polymergehäusen gelagerter Antriebsstränge = Investigation Environment and Approach for Analyzing the Relationships Between Design Parameters and Radial Vibrations in Powertrains Mounted in Polymer Housings

In der Produktentwicklung geht der Trend zum Einsatz immer leistungsdichterer und schneller drehender Motoren mit der gleichzeitigen Forderung nach dem vermehrten Einsatz von Leichtbau. Dies führt zu geänderten Schwingungscharakteristiken in Systemen, welche die Beanspruchung von Menschen und Bauteilen negativ beeinflussen können. Viele Gestaltparameter in Antriebssträngen beeinflussen deren Schwingungscharakteristik. Eine Bewertung der Effektstärken der Gestaltparameter relativ zueinander ist basierend auf dem Stand der Forschung nur eingeschränkt möglich. Dass das Material eines Lagersitzes das Schwingungsverhalten eines Antriebsstrangs mit Kegelradgetriebe beeinflussen kann wurde im Stand der Forschung gezeigt. ... mehrWie Gestaltmerkmale des Gehäuses, dessen radiale Steifigkeit und radiale Schwingungen zusammenhängen wurde jedoch im untersuchten System noch nicht expliziert.
Wissenschaftliches Ziel dieser Arbeit ist die Unterstützung der Analyse der Zusammenhänge zwischen Gestaltparametern in Polymergehäusen gelagerter Antriebsstränge. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen wiederum die gezielte Beeinflussung radialer Schwingungen unterstützen.
Zur Erreichung des Ziels wird zunächst eine virtuelle Versuchsumgebung zur Identifikation und Eingrenzung von Gestaltparametern mit Potential radiale Schwingungen des untersuchten Systems zu beeinflussen entwickelt. Zur Identifikation wird eine simulative Parameterstudie mit einem teilfaktoriellen Versuchsplan und statistischer Auswertung durchgeführt. Darauf aufbauend wird ein Entwicklungsprüfstand mit variablem Steifigkeitselement zur Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen Gestaltparametern und radialen Schwingungen entwickelt und genutzt. Im letzten Teilschritt werden die quantifizierten Zusammenhänge eingesetzt, um eine Gehäusegestalt abzuleiten und damit radiale Schwingungen zu beeinflussen.
Ergebnis dieser Arbeit ist eine methodische Vorgehensweise, welche bei der Identifikation und Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen Gestaltparametern und radialen Schwingungen unterstützt. Ein weiteres Ergebnis ist ein Entwicklungsprüfstand mit einstellbarem Lagersitz-Steifigkeits-Element mit dessen Hilfe Zusammenhänge zwischen Gestaltparametern und radialen Schwingungen quantifiziert werden können. Dies ermöglichte die Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen Lagerabstand, radialer Lagersitzsteifigkeit, Drehzahl und radialen Schwingungen sowohl im Hochlauf als auch bei konstanter Drehzahl im untersuchten System. Mit Hilfe der entwickelten Unterstützungen konnten beispielhaft die Zusammenhänge zwischen einzelnen Gestaltparametern und Radialschwingungen eines in einem Polymergehäuse gelagerten Antriebsstrangs analysiert sowie beispielhaft Gehäusegestalten abgeleitet und untersucht werden.

In product development, the trend is toward the use of increasingly more powerful and faster rotating motors with the simultaneous demand for increased use of lightweight construction. This leads to changed vibration characteristics in systems, which can negatively influence the stress on people and components. Many design parameters in powertrains can influence vibration characteristics. An evaluation of the effect strengths of the design parameters relative to each other is not possible based on the current state of research. The fact that the material of a bearing seat can influence the vibration behavior of a drive train with bevel gears has been shown in the state of research. ... mehrHowever, it has not yet been made explicit in the investigated system how the design characteristics of the housing, its radial stiffness and radial vibrations are related.
The scientific aim of this work is to support the analysis of the relationships between design parameters in drive trains mounted in polymer housings. The knowledge gained should in turn support the targeted influencing of radial vibrations.
To achieve the objective, a virtual test environment is first developed to identify and constrain design parameters with potential to influence radial vibrations of the system under study. A simulative parameter study with a partial factorial experimental design and statistical analysis is performed for identification. Based on this, a development test rig with variable bearing seat stiffness element will be developed and used to quantify the relationships between design parameters and radial vibrations. In the final sub-step, the quantified relationships are used to derive a housing design to target radial vibrations.
The result of this work is a methodical approach which supports the identification and quantification of the correlations between design parameters and radial vibrations. Another result is a development test rig with an adjustable bearing seat stiffness element, which can be used to quantify relationships between design parameters and radial vibrations. This allowed the result of quantified relationships between bearing distance, radial bearing seat stiffness, speed and radial vibrations both at motor run-up and at constant speed in the investigated system. With the aid of the supports developed, it was possible to analyze the relationships between individual design parameters and radial vibrations in a drive train mounted in a polymer housing and to derive and investigate exemplary housing designs.