Entwicklung einer Methode zur Geräuschoptimierung mehrstufiger Getriebe unter Berücksichtigung dynamischer Zusammenhänge
Akustik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Forschungsvorhabens war eine neue Auslegungsmethode für mehrstufige Getriebe unter psychoakustischen Bewertungskriterien. Durch die Kombination aus Variantenrechnungen der Verzahnungsanregung im Mehrkörpersimulationsmodell und Luftschallsynthese auf Basis experimentell ermittelter Übertragungsfunktionen wurde das Ziel erreicht. Zur experimentellen Analyse des Geräuschverhaltens von mehrstufigen Getrieben wurde ein zweistufiges Prototypengetriebe entwickelt, bei dem Messtechnik entlang der maschinenakustischen Schallentstehungskette appliziert werden kann. Die Anregung im Zahneingriff wurde über Drehbeschleunigungsmesssysteme detektiert. Die Weiterleitung der Anregung über die Maschinenstruktur bis zur Gehäuseoberfläche wurde über Körperschallsensoren gemessen. Die letzte Messgröße stellt der Luftschall dar, zu dessen Messung Mikrofone verwendet wurden. Bei der experimentellen Analyse des Anregungsverhaltens konnte durch eine Veränderung der Steifigkeits- und Massenverhältnisse anhand der Wellengeometrie zwischen den Getriebestufen frequenzabhängig das Anregungsverhalten beeinflusst werden. Durch eine gezielte Abstimmung zwischen Betriebspunkt und Wellengeometrie kann eine Reduktion der dynamischen Interaktion der Zahneingriffe unter Beachtung der jeweiligen Eigenfrequenzen des Prüfaufbaus erreicht werden. Außerdem wird die Anregung stärker von der schnelldrehenden ersten Stufe zur zweiten Stufe weitergeleitet, wobei häufig ein erhöhter Anregungspegel der zweiten Stufe durch das höhere Drehmoment vorliegt. Bei der psychoakustischen Analyse unterschiedlicher Frequenzverhältnisse der beiden Stufen konnten für die vier psychoakustischen Größen fast ausschließlich ansteigende Verläufe über dem Drehmoment festgestellt werden. Der Vergleich zwischen den Varianten zeigt, dass keine Variante in allen Metriken minimale Werte aufweist. Daraus kann der Forschungsbedarf abgeleitet werden, die psychoakustischen Metriken zusammenzuführen, um die Informationsdichte zu erhöhen und die einzelnen Metriken bei mehrstufigen Getrieben zu gewichten. Ein zusammengefasster psychoakustischer Kennwert kann die geräuschbezogene Auslegung von mehrstufigen Getrieben verbessern, was aber nicht Gegenstand des vorliegenden Vorhabens war. Neben den experimentellen Untersuchungen wurde zur rechnerischen Analyse des Anregungsverhaltens ein dynamisches Mehrkörpersimulationsmodell des zweistufigen Getriebes aufgebaut. Zur exakten Berücksichtigung der Verzahnungsanregung greift das Modell auf Anregungskennfelder aus der FE-basierten Zahnkontaktanalyse FE-Stirnradkette (STIRAK) zurück. Anhand der experimentellen Ergebnisse konnte das Modell für beide Getriebestufen validiert werden. Da die psychoakustischen Metriken als Eingangsgröße den Luftschall benötigen, wurde im zweiten Schritt eine signaltheoretische Analyse der Messdaten vorgenommen, um die Übertragungsfunktionen zwischen Anregung im Zahneingriff und dem Luftschall zu ermitteln. Außerdem wurde das verzahnungsunabhängige Restsignal aus der Messung ermittelt. Anhand der Übertragungsfunktionen und dem Fremdgeräusch wurde die Methode befähigt, Luftschallverläufe zu synthetisieren, damit eine luftschallorientierte Verzahnungsoptimierung mehrstufiger Getriebe ertüchtigt wird. Als Eingangsgröße die Anregung im Zahneingriff aus dem MKS-Modell verwendet. Auch hier zeigte der Vergleich zwischen berechnetem und gemessenem Luftschall eine gute Übereinstimmung. Die validierte Methode wurde im Folgenden genutzt, um rechnerische Variantenrechnungen inklusive psychoakustischer Geräuschbewertungen durchzuführen. Dabei wurde basierend auf dem entwickelten Prüfgetriebe und den Prüfradsätzen eine Variation der Übersetzungsaufteilungen zwischen den beiden Stufen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass für eine Aufteilung der Gesamtübersetzung in eine geringe Übersetzung i1 auf der ersten Stufe und eine hohe Übersetzung i2 auf der zweiten Stufe die psychoakustische Geräuschmerkmale hinsichtlich Lautheit, Schärfe und Rauigkeit verringert werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analysis of Excitation Behavior of a Two-Stage Gearbox Based on a Validated Simulation Model. In: Proceedings of Fall Technical Meeting. Pittsburgh, 2.-4. Oktober 2016, 2016, S. 1–16
Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Schroers, M.
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Analysis of dynamic excitation behavior of a two-stage spur gearbox. In: Proc. CIRP, 62. Jg., 2017, S. 369–374
Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Schroers, M.
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Analysis of Excitation Behavior of Two-Stage Gearbox Based Upon Validated Simulation Model. In: Gear Tech., 2017, Nr. 09, S. 94–103
Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Schroers, M.
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Experimental analysis of the dynamic noise behavior of a two-stage cylindrical gearbox. In: Prod. Eng. Res. Devel., 11. Jg., 2017, Nr. 6, S. 695–702
Brecher, C.; Schroers, M.; Löpenhaus, C.
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FE-Based Method for Design of Robust Tooth Flank Modifications for Cylindrical and Planetary Gear Stages Regarding Manufacturing Tolerances. In: Proceedings of Fall Technical Meeting. Alexandria, 22.-24. Oktober 2017, 2017, S. 1–17
Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Theling, J.; Schroers, M.; Piel, D.
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Influence of the Number of Teeth on the Dynamic Excitation Behavior of Two-Stage Cylindrical Gearboxes. International Gear Conference, 2018, Lyon
Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Schroers, M.
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Schwingungsinteraktion benachbarter Zahneingriffe. Einfluss von Wechselwirkungen auf Rotationsabweichungen im Maschinentrieb. In: wt online, 108. Jg., 2018, Nr. 5, S. 289–294
Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Schroers, M.
