Pinion bearing preload fluctuation with temperature

Abstract

This report is the written result of a Master Thesis conducted at the Division of Machine Design at the Faculty of Engineering at Lund University. The project has been carried out in collaboration with BorgWarner TorqTransfer Systems (TTS) AB in Landskrona.

The car industry is growing vastly and thereby the associated levels of CO2 emissions. Extensive and sharpened regulations are continuously being introduced in order to control the environmental impact derived from the transport sector. BorgWarner TTS is a world leading developer and manufacturer of high technology systems for torque transferring in All-Wheel drive private cars. Means of enhancing fuel economy and thus lower the environmental load from the products in operation is on top of the company agenda. One area of interest regarding friction heat losses is the rear axle preloaded pinion bearing arrangement. There is a wish to investigate how the preload fluctuates with respect to operating temperature and, furthermore, to examine the possibility of stabilising the preload in order to reduce friction losses in the unloaded state, the so called drag losses. The mission statement included the derivation of a computational model to simulate preload fluctuations with respect to temperature.

A comprehensive in depth study followed by the establishment of an accepted solution methodology, as recommended by Ullman and Velten, was the starting point of the project. The methodology suggested six steps to be implemented at different stages of the development process: establishment of requirements, system analysis, modelling, simulation, validation and evaluation.

In the system analysis a subcomponent breakdown was performed to examine the interdependent relationship as well as the external loads acting on the system that consists of bearings, shaft and housing. Significant results were converted to mechanical relations that could be implemented in MATLAB, a computer based computing environment. By prescribing the properties of the physical system at hand, the theoretical preload fluctuations could be simulated.

The outcome indicated a reduction in preload with increasing temperature and by altering the width of the material between the bearings a stabilisation in this preload reduction could be distinguished.

Popular Abstract (Swedish)

Minskade friktionsförluster har blivit föremål för omfattande forskning och utveckling inom bilindustrin. Som ett led i detta har förspänning av pinjonglager i relation till driftstempertur studerats i ett examensarbete på uppdrag av BorgWarner TorqTransfer Systems. Resultatet är anmärkningsvärt och motiverar fortsatt konstruktionsarbete.

Alla känner nog till att bilen är en riktig miljöbov men för många är den också ett oumbärligt transportmedel. Biltillverkare jobbar aktivt för att förbättra bilens bränsleekonomi och därmed bidra till minskat CO2-utsläpp. Bilindustrin växer så det knakar och i takt med förbättrad levnadsstandard har fler än någonsin råd att köpa sin första bil. Fyrhjulsdrivna bilar ökar i populäritet då många efterfrågar den stabilitet och framkomlighet de erbjuder. Biltypen är emellertid ofta större och tyngre vilket leder till större utsläpp.

Fyrhjulsdrift innebär att bilens fram- och bakhjulsaxel kopplas samman och för detta krävs en rad mekanismer. Beroende på bildesign kan det t.ex. finnas en bakkoppling. Bakkopplingen är i sin tur uppbyggd av flera samverkande delkomponenter. I samverkan, som ofta innebär kontakt under rörelse, uppstår friktionsvärme. Kontakten är nödvändig för sökt funktion men friktionsförlusten är något man vill undvika. Det finns inga genvägar till att minska förlusten utan man får titta på var del för sig. Många bäckar små kan göra stor skillnad för bilens totala bränsleförbrukning.
Med fyrhjulsdriften inkopplad överförs drivande moment från bilens drivaxel, via pinjongen, till bakhjulsaxeln. Pinjongen är en mindre stålaxel med kugghuvud och sitter fixerad i ett aluminiumhus med hjälp av två rullningslager. Lagren fyller en viktig funktion och för att se till att de håller i drift förspänner man dem en aning i längsriktningen. Denna förspänning bidrar dock till friktionsförlusten. Lagerplaceringen är dessutom inte permanent; när bilen körs och blir varm expanderar materialen i olika riktningar. Värme påverkar aluminium i större utsträckning än stål varför fixeringen mellan de olika komponenterna förändras. Lagren kommer då förskjutas i längsriktningen och hur stor denna förskjutning blir vid aktuell temperatur är vad som skulle utforskas i detta examensarbete.

En beräkningsmodell togs fram för att kunna kartlägga förspänningsvariationer i förhållande till temperatur. Modellen användes för att simulera systemet och utfallet kunde sedan jämföras med resultat från testning i labb där en egendesignad utrustning användes.

Med tanke på att aluminium växer i högre takt än stål skulle man kunna tro att förspänningen ökar med ökande temperatur då lagren förskjuts isär. Resultatet pekade dock på motsatsen; förspänningen minskar. Beteendet sågs både i beräkningsmodellen och labbtesterna. Minskningen gör förvisso att friktionsförlusten blir lägre men en för låg förspänning är inte önskvärt för lagrens hållbarhet. Därför studerades även möjligheten att balansera förspänning och friktionsförluster genom att konstruera om huset. Det visade sig att förspänningen minskar i lägre grad om avståendet mellan lagren görs större vilket också ger en stabilare förspänningsvariation.

Motsvarande beräkningar kan användas i andra sammanhang som inkluderar förspända lager, t.ex. spindelaxlar i borrmaskiner.

• author: Andersson, Elin and Jansson, Frida
• supervisor: Per Kristav
• organization: Innovation
• course: MMK920 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Computational model, Drag loss, Pinion bearing, Temperature, Preload
• language: English
• id: 7869711
• date added to LUP: 2015-09-21 14:15:56
• date last changed: 2015-09-21 14:15:56