Comparability between the noise behaviour of flank-optimized gearwheels and their noise emission in gearboxes
Final Report Abstract
Ziel des Projekts war es, das Verständnis für die Ursache und Einflüsse der Geräuschentstehung des gesamten Getriebes zu erweitern. Zum Erreichen dieses Ziels wurden im Projekt drei Themenschwerpunkte behandelt. Das erste Arbeitspaket umfasst den Aufbau des für die durchzuführenden Untersuchungen erforderlichen Prüfstands. Parallel hierzu wurden theoretische Untersuchungen durchgeführt, in denen Verzahnungsmodifikationen für Stirn- und Kegelradstufen, vor dem Hintergrund, das Geräuschverhalten gezielt zu beeinflussen, ausgelegt werden. Den Abschluss bildeten experimentelle Untersuchungen auf dem im Rahmen des Projekts zuvor aufgebauten Universalgetriebeprüfstand. Den ersten Teil des Versuchsprogramms bildete die Radsatzprüfung außerhalb des Getriebes. Im zweiten Teil erfolgte die Prüfung innerhalb des Schalt- und Achsgetriebes, wohingegen die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen den Getrieben Inhalt des letzten Teils des Versuchsprogramms war. Als Prüfling wurde der Antriebsstrang eines leichten Nutzfahrzeugs ausgewählt. Im Rahmen der theoretischen Untersuchungen wurden für die Verzahnung des zweiten Gangs des Schaltgetriebes und den Hypoidradsatz des Achsgetriebes Flankenmodifikationen mit unterschiedlichem Anregungsverhalten ausgelegt und gefertigt. Der Abgleich mit den Ergebnissen der experimentellen Radsatzprüfung außerhalb des Getriebes zeigte, dass sowohl der Drehfehler als auch die Differenz-Drehbeschleunigungen fähig sind, die Anregung der Verzahnungen zu beschreiben. Während der Drehfehler nur bei geringen Drehzahlen sinnvoll messbar ist, ermöglicht die Differenz-Drehbeschleunigung eine Klassifizierung der Versuchsradsätze bei dynamischen Versuchen. Bei der Prüfung im Getriebe stößt die Messgröße Drehfehler bedingt durch die Entfernung zwischen der anregenden Verzahnung und der Messung am Getriebeein- und -ausgang an ihre Grenzen. Im Achsgetriebe ist der Drehfehler aufgrund der höheren Anregung noch messbar. Im Schaltgetriebe sind zwei Zahnradstufen in Reihe an der Leistungsübertragung beteiligt. Die Drehfehlermessung ist sowohl bei stationären Betriebspunkten als auch bei Drehzahlrampen nicht möglich. Hingegen erlaubt die Kenngröße Differenz- Drehbeschleunigung eine Bewertung der Anregung der beiden an der Leistungsübertragung beteiligten Stirnradsätze. Die Messsignale korrelieren gut mit den Ergebnissen der Auslegung und der Untersuchungen am Radsatz. Aufgrund der Übertragungseigenschaften und der Steifigkeit des Gehäuses weisen die Kurven der Messungen am Radsatz und im Getriebe qualitativ unterschiedliche Verläufe auf. Modale Untersuchungen zeigen, dass der Einfluss des Gehäuses bei der Auslegung von Radsätzen beachtet werden muss. Ziele der Untersuchung des kompletten Antriebsstrangs bilden die Analyse der Übertragbarkeit der Ergebnisse der Teilgetriebe auf das Gesamtsystem sowie die Analyse von Wechselwirkungen zwischen den beiden Teilgetrieben. Die Ergebnisse zeigen, dass prinzipiell eine Übertragung der Ergebnisse der Teilgetriebe auf den gesamten Antriebsstrang möglich ist. Da im Vergleich zum Radsatztest die Gehäuseeigenschaften beim Test im Getriebe und im Antriebsstrang identisch sind, weisen die Ordercuts vergleichbare Amplituden und Kurvenverläufe auf. Die im Vergleich zum Getriebetest deutlich erweiterten Bilanzgrenzen erschweren die Beurteilung über die Kenngröße Differenz-Drehbeschleunigung. Weiterhin sind die Drehzahlunterschiede zwischen An- und Abtrieb sehr groß, welches die Ordnungsanalyse erschwert. Im Gesamtsystem sollte die Beurteilung von Maßnahmen an der Verzahnung entweder über Körperschallmessungen oder die Erfassung der Übersetzungsschwankung in einem oder mehreren Subsystemen erfolgen. Bei Messungen im Antriebsstrang ist zu beachten, dass die Gelenkwelle das Übertragungsverhalten bezüglich der Wechselwirkungen beeinflusst, welches beim Test des Getriebes außerhalb des Antriebsstrangs nicht berücksichtigt werden kann. Gegenüber der aus der inneren Anregung eines Getriebes resultierenden Geräuschemission ist die aus den Zahneingriffen der anderen Teilgetriebe resultierende Schwingungsanregung deutlich geringer. Allerdings ist zu prüfen, ob Anregungsfrequenzen und deren Harmonischen gemeinsame Vielfache haben und in kritischen Drehzahlbereichen mit Eigenschwingungen der Gehäuse oder der Fahrzeugkarosserie zusammenfallen. Die entwickelte Methode zur Erfassung der Anregung von Verzahnungen im realen Getriebe wurde schon während des laufenden Vorhabens vereinzelt zur Verifikation von Berechungsergebnissen der Mehrkörpersimulation genutzt. Durch die Kenngröße Differenz-Drehbeschleunigung kann ein Abgleich zwischen Simulation und Experiment schon an einfachen Torsionsschwingungsmodellen durchgeführt werden. Aufbauend auf den Forschungsergebnissen wird ein Transfervorhaben mit dem Titel „Transfer der Methode der dynamischen Drehfehlermessung in die industrielle Praxis“ angestrebt. Hierbei soll im Rahmen von theoretischen Untersuchungen ein Schaltgetriebe mit Hilfe der Mehrkörpersimulation abgebildet werden, wobei das am WZL entwickelte Kraftelement verwendet werden soll. Schwerpunkte der experimentellen Arbeitspakete sind die Integration der Drehbeschleunigungsmesstechnik in ein bestehendes Getriebe und die Analyse des dynamischen Verhaltens des Gesamtsystems Getriebe. Abschließend ist ein Abgleich zwischen den Simulations- und den Messergebnissen vorgesehen.
Publications
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