TU Darmstadt / ULB / TUprints

Modulation der Zahneingriffsschwingungen von Planetengetrieben

Plöger, Daniel Fritz (2020):
Modulation der Zahneingriffsschwingungen von Planetengetrieben.
In: Forschungsberichte Mechatronische Systeme im Maschinenbau, Darmstadt, Shaker Verlag, Technische Universität, ISBN 978-3-8440-7196-2,
DOI: 10.25534/tuprints-00011329,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
diss_ploeger_final.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (10MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modulation der Zahneingriffsschwingungen von Planetengetrieben
Language: German
Abstract:

Planetengetriebe zeigen, im Gegensatz zu Standgetrieben, hochgradig modulierte Schwingungen. Aus der existierenden Literatur ergeben sich hierfür zwei verschiedene Erklärungen. Besonders in Luftfahrtanwendungen lässt sich die Modulation auf eine zeitliche Fluktuation der beteiligten Übertragungspfade zurückführen. Allerdings finden sich hierzu auch Gegenbeispiele in der Literatur, besonders für kleinere Industriegetriebe. Eine alternative Erklärung sieht die Ursache der Modulation in den resultierenden Kräften an den zentralen Gliedern der Planetengetriebe. Der Umfang der Experimente in der Literatur ist jedoch eher gering. Deshalb ist es das Ziel dieser Arbeit, die Schwingungen kleiner marktüblicher Servo-Planetengetriebe zu untersuchen.

Im ersten Schritt dieser Dissertation wird ein Versuchsaufbau entwickelt, welcher Prüfgetriebe bei definierter Drehzahl, Last und Temperatur betreiben kann. Zudem ermöglicht der Aufbau es, alle Wellen präzise auszurichten, um ungewollte Störungen zu vermeiden. Der Prüfstand verfügt über eine Reihe von Sensoren: Beschleunigungsaufnehmer, Kraftmesszellen, inkrementelle Winkelgeber und weitere Instrumente. Sechs verschiedene Getriebetypen stehen zur Verfügung, wobei für den am intensivsten untersuchten Getriebetypen sechs identische Prüfgetriebe existieren. Dabei wird deren Mikrogeometrie vor dem ersten Zusammenbau gemessen.

Die aufgezeichneten Schwingungssignale der Planetengetriebe werden mittels zweier Methoden untersucht, welche sich beide auf eine Ordnungszerlegung stützen. Zunächst wird ein dynamisches Modell der untersuchten Getriebe identifiziert. Dabei können mehrere ausgeprägte Resonanzen beobachtet werden. Alle identischen Prüfgetriebe zeigen ähnliche Eigenfrequenzen, aber die Modulation schwankt deutlich. Zudem liegen für die einzelnen Resonanzen unterschiedliche Modulationen vor. Deshalb wird eine zweite Methode mit dem Ziel, die Modulation der einzelnen Prüfgetriebe zu charakterisieren, entwickelt. Alle Schwingungen werden dabei zu einer Schwingungssignatur aggregiert.

Die Ergebnisse zeigen eindeutige Schwingungssignaturen der individuellen Prüfgetriebe mit drei charakteristischen Merkmalen. Eine Komponente der Schwingungen ist synchron mit dem Planetenträger moduliert, eine weitere synchron mit dem Sonnenrad. Zusätzlich kann ein unmodulierter Anteil vorliegen. Unerwarteterweise ergibt sich keine Korrelation zwischen den Fertigungsabweichungen und der Modulation. Allerdings zeigt ein zusätzliches Experiment einen deutlichen Einfluss des Montagevorgangs. Dadurch eingebrachte geometrischen Abweichungen lassen sich mit üblichen Messmaschinen nicht erfassen.

Aus diesem Grund wird ein numerisches Mehrkörpermodell der Getriebe entwickelt. Mit diesem können zufällig verteilte geometrische Abweichungen in den Lagern definiert werden. Eine Korrelationsanalyse der simulierten Schwingungssignaturen und der geometrischen Abweichungen zeigt, dass die drei Modulationsarten einzelnen Ursachen zuzuordnen sind. Dabei ist der unmodulierte Anteil der Schwingungssignale von besonderem Interesse, weil er einen Doppelflankenkontakt anzeigt. Hierbei übertragen Links- und Rechtsflanken der Zähne gleichzeitig Kräfte, was unerwünscht ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Planetary gearboxes exhibit highly modulated vibration, which cannot be observed in fixed-axis gearboxes. From the existing research, two contradicting descriptions can be obtained. For planetary gearboxes used in aircraft engines, the modulation may be explained by a time varying transfer path. However, the literature also contains counterexamples to this theory, particularly in the case of small to medium sized industrial planetary gearboxes. An alternative hypothesis explains the modulation by the existence of a resulting force on the central members of the planetary gearbox. The amount of experimental data concerning the modulation of gear mesh vibration is however limited. Therefore, the objective of this thesis is to investigate the vibration of small commodity planetary gearboxes designed for servo drive applications. In the first step of this investigation, an experimental setup is developed. The test rig can drive a planetary gearbox specimen at defined speed, torque and temperature. It allows for precisely aligned shafts in order to prevent any uncontrolled disturbance. In addition, the test rig uses extensive instrumentation consisting of accelerometers, force transducers, incremental encoders and auxiliary sensors. Six different gearbox designs are tested. For the most intensively investigated type, six identical specimens exist. The micro-geometry of these is measured before their initial assembly. The experimentally recorded vibration of the gearboxes is processed using two different methods, which both rely on order tracking. At first, a model of the dynamics of each specimen is identified. Several pronounced resonances can be observed from the experimental data. All specimens yield similar natural frequencies, but the modulation varies noticeably. In addition, each resonance shows a different modulation. Therefore, a second method is developed with the aim of characterizing the modulation of a given gearbox specimen. All vibration data is aggregated to a vibration signature. The experimental results show that the vibration signature is indeed specific for an individual specimen. In addition, three distinct features can be observed in the modulation. One component of the vibration signals is modulated synchronously with the planet carrier and a second synchronously with the sun gear. Furthermore, unmodulated vibration may also be present. Unexpectedly, no correlation between the manufacturing errors and the modulation can be shown. However, an additional experiment shows that the influence of the assembly process is evident. The geometrical deviations introduced during assembly cannot be measured using established measurement devices. Therefore, a numerical multi-body model of the gearbox is developed. Using this model, geometrical errors are defined in the bearings and distributed randomly. Correlation analysis of the simulated vibration signatures and the geometrical deviations shows that the three features observed in the modulation may be linked to individual causes. The unmodulated part of the vibration signals is of particular interest, because it indicates a double flank meshing condition. Here, left and right flanks of the meshing teeth transmit a contact force simultaneously, which is undesirable.English
Series Name: Forschungsberichte Mechatronische Systeme im Maschinenbau
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Shaker Verlag
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS) > Aircraft Engines and Rotating Machinery
Date Deposited: 07 Feb 2020 12:23
Last Modified: 09 Jul 2020 06:23
DOI: 10.25534/tuprints-00011329
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-113295
Referees: Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan and Kirchner, Prof. Dr. Eckhard
Refereed: 11 November 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11329
Export:
Actions (login required)
View Item View Item