Hengeres fogaskerekes hajtóművek előtervezési fázisában megvalósított hatásfok számítási megoldások vizsgálata
Analysis of efficiency calculation solutions applied in the preliminary design phase of cylindrical gearboxes
Kulcsszavak:
efficiency, power loss, cylindrical gears, preliminary design, friction losses, /, hatásfok, teljesítményveszteség, hengeres fogaskerekek, előtervezés, súrlódási veszteségekAbsztrakt
In modern industrial applications, the accurate prediction of gearbox efficiency during the early stages of the design phase is becoming increasingly important due to the growing significance of energy efficiency. Reliable estimation of efficiency enables the selection of optimal designs and contributes to reducing operational costs as well as mitigating environmental impact. In my research, I focused on the preliminary estimation of the efficiency of cylindrical (spur/helical) gear industrial gearboxes, with particular emphasis on the detailed analysis of power loss sources. The study reviews the main types of losses occurring in gearboxes, such as tooth friction, bearing friction, seal friction, as well as oil churning and windage losses. In this study, I present the available computational methods, evaluating their applicability under various operating conditions. Special emphasis was placed on optimizing the calculation methods so that reliable results can be achieved in the preliminary design phase with minimal input parameters and simplified procedures. The research aims to develop an efficient computational methodology that is also practically applicable throughout the design process.
Kivonat
A modern ipari alkalmazásokban az energiahatékonyság növekvő jelentősége miatt egyre fontosabbá válik a hajtóművek hatásfokának pontos előrejelzése már a tervezési fázis korai szakaszában. A hatásfok megbízható becslése lehetővé teszi az optimális konstrukció kiválasztását és hozzájárul a működési költségek csökkentéséhez, valamint a környezeti terhelés mérsékléséhez. A kutatásom során a hengeres fogaskerekes ipari hajtóművek hatásfokának előzetes becslésével foglalkoztam, különös tekintettel a teljesítményveszteség forrásainak részletes elemzésére. A kutatás során áttekintjük a hajtóművekben fellépő főbb veszteségtípusokat, mint a fogsúrlódás, csapágysúrlódás, tömítéssúrlódás, valamint az olajkavarási és légkavarási veszteségek. A tanulmányban bemutatom a rendelkezésre álló számítási megoldásokat, értékelve azok alkalmazhatóságát. Különös hangsúlyt fektettünk a számítási módszerek optimalizálására annak érdekében, hogy minimális bemeneti paraméterekkel, egyszerűsített eljárásokkal is megbízható eredményeket lehessen elérni az előtervezési fázisban. A kutatás célja egy olyan hatékony számítási módszertan kidolgozása, amely gyakorlati szempontból is jól alkalmazható a tervezési folyamat során.
Hivatkozások
C. Paschold, T. Lohner, and K. Stahl, ‘Local Calculation of Load-Dependent Gear Power Losses of Cylindrical Gears’, J. Tribol, vol. 147, no. 112201, Feb. 2025, doi: 10.1115/1.4067493.
Y. Diab, T. Touret, F. Ville, and C. Changenet, ‘Tooth friction in spur gear transmission. From local to mean tooth friction loss’, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology,
vol. 238, no. 12, pp. 1583–1592, Dec. 2024, doi: 10.1177/13506501241272847.
I. Hong, E. Aneshansley, K. Chaudhury, and D. Talbot, ‘Stochastic microcontact model for the prediction of gear mechanical power loss’, Tribology International, vol. 183, p. 108413, May 2023, doi: 10.1016/j.triboint.2023.108413.
F. Concli and C. Gorla, ‘Windage, churning and pocketing power losses of gears: different modeling approaches for different goals’, Forsch Ingenieurwes, vol. 80, no. 3, pp. 85–99, Dec. 2016, doi: 10.1007/s10010-016-0206-9.
B.-S. Kim, W.-J. Chung, S. Kim, and Y.-J. Park, ‘Optimum design of planetary gear set using multi-objective optimization considering mass, power loss and transmission error’, Mechanics Based Design of Structures and Machines, vol. 52, no. 10, pp. 7325–7348, Oct. 2024, doi: 10.1080/15397734.2023.2297259.
J.-F. Berger, M. Rothemund, M. Otto, and K. Stahl, ‘Advanced transmission optimization for new design challenges using RIKOR’, Forsch Ingenieurwes, vol. 89, no. 1, p. 110, Aug. 2025, doi: 10.1007/s10010-025-00869-0.
G. Ruiz-Ponce, M. A. Arjona, C. Hernandez, and R. Escarela-Perez, ‘A Review of Magnetic Gear Technologies Used in Mechanical Power Transmission’, Energies, vol. 16, no. 4, Feb. 2023, doi: 10.3390/en16041721.
M. Handschuh, A. Guner, and A. Kahraman, ‘An experimental investigation of windage and oil churning power losses of gears and discs’, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, vol. 237, no. 1, pp. 163–177, Jan. 2023, doi: 10.1177/13506501221104372.
O. Donnelly, J. Carroll, and M. Howland, ‘Analysing the cost impact of failure rates for the next generation of offshore wind turbines’, Wind Energy, vol. 27, no. 7, pp. 695–710, May 2024, doi: https://doi.org/10.1002/we.2907.
H. Chen and X. Li, ‘Tolerance analysis of involute spur gear from the perspective of design’, Mechanics & Industry, vol. 23, p. 16, 2022, doi: 10.1051/meca/2022013.
H. Liu, Y. Wang, T. Zeng, H. Wang, S.-C. Chan, and L. Ran, ‘Wind turbine generator failure analysis and fault diagnosis: A review’. [Online]. Available: https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1049/rpg2.13104
Z. Lu, C. Liu, C. Liao, J. Zhu, H. Liu, and Y. Chen, ‘Conceptual design and optimization of polymer gear system for low-thrust turbofan aeroengine accessory transmission’, vol. 11, no. 1, pp. 212–229, Feb. 2024, doi: https://doi.org/10.1093/jcde/qwae008.
M. Zander, M. Otto, T. Lohner, and K. Stahl, ‘Evaluation of friction calculation methods for rolling bearings’, Forsch Ingenieurwes, vol. 87, no. 4, pp. 1307–1316, Dec. 2023, doi: 10.1007/s10010-023-00715-1.
E. Latiffianti, S. Sheng, and Y. Ding, ‘Wind Turbine Gearbox Failure Detection Through Cumulative Sum of Multivariate Time Series Data’, Front. Energy Res., vol. 10, May 2022, doi: 10.3389/fenrg.2022.904622.
G. Niemann and H. Winter, Maschinenelemente. Berlin, Heidelberg: Springer, 2003. doi: 10.1007/978-3-662-11873-3.
M. Duda, ‘Der geometrische Verlustbeiwert und die Verlustunsymmetrie bei geradverzahnten Evolventen-Stirnradgetrieben’, Forsch Ing-Wes, vol. 37, no. 2, pp. 59–64, Mar. 1971, doi: 10.1007/BF02559046.
H. Klein, Bolygókerék hajtóművek. Budapest: Műszaki Könyvkiadó, 1968.
T. Jurkschat, M. Otto, T. Lohner, and K. Stahl, ‘Bestimmung des Verlustverhaltens und der Wärmebilanz von Wälzlagern’, Forsch Ingenieurwes, vol. 82, no. 2, pp. 149–155, Jun. 2018, doi: 10.1007/s10010-018-0266-0.
‘Rolling bearings’. Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Feb. 15, 2025.
X. Zhang et al., ‘Torque variations of ball bearings based on dynamic model with geometrical imperfections and operating conditions’, Tribology International, vol. 133, pp. 193–205, May 2019, doi: 10.1016/j.triboint.2019.01.002.
‘Rolling bearings — Thermal speed rating — Calculation’, ISO. Accessed: Jul. 16, 2025. [Online]. Available: https://www.iso.org/standard/69112.html
D. Strasser, ‘Einfluss des Zahnflanken- und Zahnkopfspieles auf die Leerlaufverlustleistung von Zahnradgetrieben’, Ruhr-Universität, Bochum, 2005.
‘Power loss’. [Online]. Available: https://doc.fva-service.de/90/en/root-power-loss.html
X. Qian et al., ‘Strategy of directional oil transport for splash lubrication systems’, International Journal of Mechanical Sciences, vol. 269, p. 109059, May 2024, doi: 10.1016/j.ijmecsci.2024.109059.
C. Changenet and P. Velex, ‘A Model for the Prediction of Churning Losses in Geared Transmissions—Preliminary Results’, J. Mech. Des, vol. 129, no. 1, pp. 128–133, Aug. 2006, doi: 10.1115/1.2403727.
S. Seetharaman and A. Kahraman, ‘Load-Independent Spin Power Losses of a Spur Gear Pair: Model Formulation’, Journal of Tribology, vol. 131, no. 022201, Feb. 2009, doi: 10.1115/1.3085943.
Y. Diab, F. Ville, P. Velex, and C. Changenet, ‘Windage Losses in High Speed Gears—Preliminary Experimental and Theoretical Results’, Journal of Mechanical Design, vol. 126, no. 5, pp. 903–908, Oct. 2004, doi: 10.1115/1.1767815.
N. E. Anderson and S. H. Loewenthal, ‘Effect of Geometry and Operating Conditions on Spur Gear System Power Loss’, Journal of Mechanical Design, vol. 103, no. 1, pp. 151–159, Jan. 1981, doi: 10.1115/1.3254854.
Letöltések
Megjelent
Folyóirat szám
Rovat
License
Copyright (c) 2026 Nemzetközi Gépészeti Konferencia – OGÉT
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
