Neubauer, Philipp Georg Rudolf (2019)
Konzeption und Auslegung von geräuschoptimierten inäquidistanten Verzahnungen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In elektrischen Antriebssträngen, wie zum Beispiel in Elektrofahrzeugen, sind Zahnradgetriebe aufgrund einer nur geringen Maskierung durch den Antrieb häufig die dominante Geräuschquelle. Durch den stark tonhaltigen Geräuschcharakter des Zahneingriffes sind diese Geräusche sehr prominent und werden daher als besonders lästig empfunden. Bisher erfolgt die Minderung von Getriebegeräuschen durch Schrägverzahnungen, mechanische Entkopplungen, Dämpfungen und Verzahnungskorrekturen, was den tonhaltigen Geräuschcharakter jedoch nicht oder nur geringfügig beeinflusst. Der aus anderen Bereichen der Technik bekannte Ansatz einer Geräuschminderung lästiger tonhaltiger Geräuschkomponenten mittels unregelmäßiger Geometrien, wie zum Beispiel bei Lüftern oder Pkw-Reifen, wird im Rahmen dieser Arbeit auf Verzahnungen übertragen. Es entsteht die inäquidistante Verzahnung. Zusätzlich zur Minderung des physikalisch messbaren Schalldruckes wird insbesondere der lästige tonhaltige Geräuschcharakter gemindert. Die bisherigen Ansätze zur Geräuschminderung sind mit inäquidistanten Verzahnungen kombinierbar, um eine noch stärkere Geräuschreduktion zu erreichen. In dieser Arbeit werden Methoden entwickelt, mit denen die neuartige inäquidistante Verzahnung von Grund auf konzipiert, ausgelegt und akustisch optimiert werden kann. Um die Konzeption und Auslegung von geräuschoptimierten inäquidistanten Verzahnungen zu ermöglichen, werden deren Geräuschanregungsmechanismen mathematisch analytisch modelliert. Hierzu werden zunächst die grundlegenden Prinzipien der geometrischen Modellierung inäquidistanter Verzahnungen auf Basis eingeführter Inäquidistanz-Parameter dargestellt. Darauf aufbauend wird die analytische Berechnungskette, bestehend aus statischen, elastostatischen, dynamischen und maschinenakustischen Modellierungsschritten, zur geräuschoptimalen Auslegung inäquidistanter Verzahnungen entwickelt. Aus der Literatur bekannte Ansätze zur Berechnung der Verzahnungssteifigkeit und der lastbedingten Überdeckungsvergrößerung konventioneller Verzahnungenwerden hinsichtlich der Anwendung auf inäquidistante Verzahnungen erweitert. Diese Ansätze werden anhand von FE-Simulationen validiert. Ein dynamisches Modell einer Stirnradstufe wird aufgebaut, das die dynamischen Verzahnungskräfte liefert, welche als Eingangsgröße in die maschinenakustische Grundgleichung eingehen. Die Anteile der Körperschallfunktion und des Abstrahlgrades werden für einen im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Getriebeprüfstand ermittelt, um die errechneten Luftschallsignale anhand von experimentell ermittelten Luftschallsignalen validieren zu können. Es zeigt sich, dass die gewählten Modellierungsansätze gut geeignet sind, um das Geräuschverhalten inäquidistanter Verzahnungen zu berechnen. Ein Ansatz zur Geräuschbewertung inäquidistanter Verzahnungen wird vorgestellt, der anhand von Ergebnissen eines psychoakustischen Hörversuches entwickelt wird. Der Nachweis einer subjektiv wahrgenommenen Geräuschminderung durch inäquidistante Verzahnungen wird erbracht. Abschließend wird ein Ansatz zur Optimierung des Geräusches inäquidistanter Verzahnungen, unter Berücksichtigung der maschinenakustischen Eigenschaften des Getriebeprüfstandes, vorgestellt. Das Resultat einer exemplarisch durchgeführten Optimierung wird diskutiert. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass das Geräusch von Zahnradgetrieben durch inäquidistante Verzahnungen deutlich gemindert werden kann. Mittels der entwickelten analytischen Berechnungskette und der Methoden zur Konzeption und Auslegung von geräuschoptimierten inäquidistanten Verzahnungen können der Summenschalldruckpegel wie auch das Frequenz- und Ordnungsspektrum des Geräusches von konventionellen und inäquidistanten Geradverzahnungen mit guter Genauigkeit, das von Schrägverzahnungen mit ausreichender Genauigkeit, berechnet werden. Die entwickelte Optimierungsmethode ermöglicht die akustisch optimierte Auslegung von inäquidistanten Verzahnungen.

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