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Aktive Reduktion modulierter Zahneingriffsvibrationen von Planetengetrieben

Zech, Philipp (2019):
Aktive Reduktion modulierter Zahneingriffsvibrationen von Planetengetrieben.
Darmstadt, Shaker Verlag, Technische Universität, ISBN 9783844066012,
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8619],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Der Forschungsbeitrag ist motiviert durch die vermehrte Anwendung von Planetengetrieben in neuen Technologien wie Getriebefan-Triebwerken. Das Ziel der Arbeit besteht darin, die Luft- und Körperschallemissionen von Planetengetrieben mithilfe eines Systems zur aktiven Schwingungsreduktion (ASR) zu reduzieren. Dies ermöglicht einerseits Komfortsteigerungen für Menschen durch Lärmreduktion und andererseits den Schutz empfindlicher Bauteile vor schädigenden Vibrationen.

Eine Literaturrecherche macht Herausforderungen in Bezug auf Modellbildung, Regelalgorithmen und Aktorik durch den hohen Frequenzbereich des Zahneingriffs deutlich. ASR-Produkte nach dem aktuellen Stand der Technik funktionieren nur für deutlich tiefere Frequenzen. Zur messtechnischen Charakterisierung des Anregungsverhaltens von Planetengetrieben in der Leistungsklasse bis 10kW erfolgt der Aufbau eines Prüfstands. Dieser erlaubt die Ermittlungvon technischen und psychoakustischen Anforderungen an das zu entwickelnde ASR-System.

Vier ausgewählte modellfreie Regelalgorithmen werden zur Kompensation modulierter Vibrationen aus Planetengetrieben weiterentwickelt. Eine einheitliche Simulationsumgebung erlaubt die Gegenüberstellung der Algorithmen. Der schmalbandig wirkende Simultaneous-Equations-Algorithmus wird ausgewählt. Eine Methode zur Auslegung von piezoelektrischen Inertialmassenaktoren (IMA) wird vorgestellt und angewendet. Zur Realisierung des ASR-Systems werden verschiedene Konzepte vorgeschlagen und diskutiert. Ein Konzept mit vier IMA in tangentialer Anordnung am Getriebegehäuse wird ausgelegt, konstruiert und am Prüfstand als Aktormodul aufgebaut.

In Prüfstandsversuchen wird der entwickelte modellfreie Regelalgorithmus validiert. Er erzielt vergleichbare Regelgüten wie der modellbasierte FxLMSAlgorithmus, bei gleichzeitig größerer Robustheit gegenüber Regelstreckenänderungen. Das entwickelte Aktormodul ermöglicht signifikante Reduktionen verschiedener Regelgrößen wie Schalldruck, Beschleunigung oder Kraft. In den meisten untersuchten Konfigurationen ergeben sich deutliche Reduktionen der Regelgrößen, während andere Schwingungsgrößen verschlechtert werden. Die akustische Abstrahlung einer mit dem Getriebe verbundenen Platte kann auf Restamplituden von 18% verringert werden. Durch eine Reduktion von Lautheit und Tonhaltigkeit wird das Getriebegeräusch angenehmer wahrgenommen. Eine Diskussion von Potentialen und Aufwänden des ASR-Systems schließt die Arbeit ab.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Zech, Philipp
Title: Aktive Reduktion modulierter Zahneingriffsvibrationen von Planetengetrieben
Language: German
Abstract:

Der Forschungsbeitrag ist motiviert durch die vermehrte Anwendung von Planetengetrieben in neuen Technologien wie Getriebefan-Triebwerken. Das Ziel der Arbeit besteht darin, die Luft- und Körperschallemissionen von Planetengetrieben mithilfe eines Systems zur aktiven Schwingungsreduktion (ASR) zu reduzieren. Dies ermöglicht einerseits Komfortsteigerungen für Menschen durch Lärmreduktion und andererseits den Schutz empfindlicher Bauteile vor schädigenden Vibrationen.

Eine Literaturrecherche macht Herausforderungen in Bezug auf Modellbildung, Regelalgorithmen und Aktorik durch den hohen Frequenzbereich des Zahneingriffs deutlich. ASR-Produkte nach dem aktuellen Stand der Technik funktionieren nur für deutlich tiefere Frequenzen. Zur messtechnischen Charakterisierung des Anregungsverhaltens von Planetengetrieben in der Leistungsklasse bis 10kW erfolgt der Aufbau eines Prüfstands. Dieser erlaubt die Ermittlungvon technischen und psychoakustischen Anforderungen an das zu entwickelnde ASR-System.

Vier ausgewählte modellfreie Regelalgorithmen werden zur Kompensation modulierter Vibrationen aus Planetengetrieben weiterentwickelt. Eine einheitliche Simulationsumgebung erlaubt die Gegenüberstellung der Algorithmen. Der schmalbandig wirkende Simultaneous-Equations-Algorithmus wird ausgewählt. Eine Methode zur Auslegung von piezoelektrischen Inertialmassenaktoren (IMA) wird vorgestellt und angewendet. Zur Realisierung des ASR-Systems werden verschiedene Konzepte vorgeschlagen und diskutiert. Ein Konzept mit vier IMA in tangentialer Anordnung am Getriebegehäuse wird ausgelegt, konstruiert und am Prüfstand als Aktormodul aufgebaut.

In Prüfstandsversuchen wird der entwickelte modellfreie Regelalgorithmus validiert. Er erzielt vergleichbare Regelgüten wie der modellbasierte FxLMSAlgorithmus, bei gleichzeitig größerer Robustheit gegenüber Regelstreckenänderungen. Das entwickelte Aktormodul ermöglicht signifikante Reduktionen verschiedener Regelgrößen wie Schalldruck, Beschleunigung oder Kraft. In den meisten untersuchten Konfigurationen ergeben sich deutliche Reduktionen der Regelgrößen, während andere Schwingungsgrößen verschlechtert werden. Die akustische Abstrahlung einer mit dem Getriebe verbundenen Platte kann auf Restamplituden von 18% verringert werden. Durch eine Reduktion von Lautheit und Tonhaltigkeit wird das Getriebegeräusch angenehmer wahrgenommen. Eine Diskussion von Potentialen und Aufwänden des ASR-Systems schließt die Arbeit ab.

Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Shaker Verlag
ISBN: 9783844066012
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS) > Aircraft Engines and Rotating Machinery
Date Deposited: 28 Apr 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8619
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86199
Referees: Rinderknecht, Prof. Stephan and Melz, Prof. Tobias
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 6 February 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
This research study is motivated by the increasing use of planetary gearboxes in novel technologies such as geared turbofans in jet engines. The goal of this work is to reduce emissions of noise and vibration from planetary gearboxes with the use of active vibration control (AVC). This leads to increase of comfort for humans on the one hand and vibration protection of sensitive equipment onthe other hand. High frequencies of gear meshing are identified as key challenge by a literature research with respect to modelling, control algorithms and actuators. Up to date AVC products achieve only reductions for relative low frequencies. A test rig is built to characterize the excitation of planetary gearboxes, which transfer powers of up to 10 kW. It enables the determination of technical and psychoacoustic requirements for the AVC system. Four model-free control algorithms are enhanced for compensation of modulated vibration from planetary gearboxes. A standardized simulation allows the comparison of the algorithms. The narrowband simultaneous equations algorithm is selected due to its performance. It achieves comparable vibration reductions as the model-based FxLMS but exhibits higher robustness against changes in the plant. A design method for piezoelectric inertal mass actuators (IMA) is presented and applied. Concepts for the realization of an AVC system are proposed and discussed. A concept with four tangentially mounted IMA at the gearbox housing is designed and commissioned as actuator module at the test rig. The control performance of the developed model-free algorithm as well as its ability to adapt to changing plants is validated at the test rig. The developed actuator module allows for significant reductions of different vibration quantities such as noise, acceleration or force. In most investigated configurations high reductions of the controlled quantity are achieved while other quantities are worsened. The radiated noise of a plate, which is connected to the gearbox, is reduced to remaining amplitudes of 18% compared to the uncontrolled situation. Thereby the psychoacoustic pleasantness of the noise radiated by the gearbox is improved by the factor of five while using AVC. Finally potentials and efforts of the system are discussed.English
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