Optimierung der Berechnung der Schallabstrahlung von Getriebegehäusen : experimentelle und analytische Untersuchungen zur Geräuschentwicklung von Fahrzeug-Schaltgetrieben

Falkenberger, Stefan

Die Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Erfassung der Schwingungsanregung von Fahrzeuggetrieben, auch im Vergleich mit der Simulation. Sie leistet einen Beitrag zur Optimierung der Berechnungskette der Schallabstrahlung solcher Getriebe. Nach der Entwicklung eines Messsystems zur Erfassung der Lagerkräfte wird ein Getriebeprüfstand entwickelt. Die Innenteile des untersuchten Getriebes werden rigoros vereinfacht. Nun verfügt das Getriebe über eine Stirnradstufe und vier Lagerstellen. Um Schallleistungsmessungen durchzuführen, wird die Prüfumgebung in einen Hallraum umgewandelt. Die Schwingungsanregung des Getriebegehäuses wird bei drei unterschiedlichen Schmierstofftemperaturen untersucht. Nach der Validierung der Schwingungsanregung mit Hilfe eines Mehrkörper-Simulationsmodells werden Schallabstrahlungsberechnungen durchgeführt. Erstmalig werden dabei die validierten dynamischen Lagerkräfte mit in die Berechnungen eingebunden. Die simulierten Schallleistungen werden mit den experimentell erfassten verglichen. Insgesamt zeigen die experimentellen und rechnerischen Ergebnisse eine gute bis hervorragende Übereinstimmung.

The experimental testing of the dynamic excitation of gearboxes is the target of the thesis at hand. The validation of this excitation using a multi-body-simulation model is another achievement. The improvement of the calculation process of the sound radiation of gearboxes is the main focus. Initially, a testing equipment is developed for measuring the dynamic bearing forces in gearboxes in the flow of power between the bearings outer ring and the bearing seat in the gearbox housing. After setting up and putting into operation a gearbox test bench the redesigned gearbox is tested in a wide operating range and measurements of the power of sound are done. The parts inside the gearbox are completely new designed. The gearbox now contains only one gearwheel section, but two units. Either a spur gearwheel section or a helical gearwheel section can be tested. This procedure reduces the complexity of the powertrain of the gearbox and creates space for the bearing force measurement device inside the gearbox. For the measurement of the sound power of the redesigned gearbox the testing environment is set up as a reverberation chamber following DIN EN ISO 3740. After the plausibility check of the measured dynamic bearing forces the reproducibility is inspected and a gearbox test bench warm up scenario is defined. The investigation of the dynamic bearing forces, as the excitation of the gearbox housing, in the defined operating range at three different temperatures of the lubricant using the spur- and helical gearwheel section follows. The influences of the different viscosities of the lubricant on the dynamic bearing forces and the sound radiation are investigated in the frequency domain. After the validation of the dynamic excitation of the gearbox housing with the multibody-simulation model the calculation of the sound radiation is performed. For the first time the validated dynamic bearing forces are used in the calculation process of the sound radiation. Finally the calculated sound power is validated with the measured sound power of the gearbox test bench and evaluated in the frequency domain. Altogether the experimental and calculated results of every single step of the calculation process are showing excellent accordance. The present thesis thus provides a significant contribution to the validation of the vibrational excitations. Now there are new possibilities of determining load forces in the flow of energy experimentally and simulatively and of integrating them into the calculation chain of the sound radiation of gear-boxes.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Erfassung der dynamischen Schwingungsanregung von Fahrzeuggetrieben, auch im Vergleich mit der Simulation dieser Anregung mit Hilfe eines Mehrkörpersystem-Modells. Die Arbeit soll einen Beitrag zur Optimierung der Berechnungskette der Schallabstrahlung solcher Getriebe leisten. Nach der Entwicklung eines Messsystems zur Erfassung der dynamischen Lagerkräfte direkt im Kraftfluss zwischen Lageraußenring und Lagersitz des Getriebegehäuses wird ein Konzept für einen Getriebeprüfstand entwickelt. Der Prüfstand wird aufgebaut und in Betrieb genommen. Das untersuchte Getriebegehäuse stammt aus einer aktuellen Serienproduktion. Die Innenteile dieses Getriebes werden komplett neu entwickelt und dabei rigoros vereinfacht. Nun verfügt das Getriebe über eine Stirnradstufe in den beiden Varianten gerad- und schrägverzahnt und vier Lagerstellen. Dieses Vorgehen reduziert so die Komplexität deutlich und lässt ausreichend Raum für den Einbau des entwickelten Lagerkraft-Messsystems. Um Schallleistungsmessungen des verbauten Getriebes durchzuführen, wird die Prüfumgebung in einen Hallraum mit schallharten Wänden nach DIN EN ISO 3740 umgewandelt. Nach der Plausibilisierung der aufgezeichneten Messwerte werden die Wiederholbarkeit überprüft und ein Einlaufszenario für den Getriebeprüfstand festgelegt. Anschließend folgen die Untersuchungen der Schwingungsanregung des Getriebegehäuses im gesamten definierten Betriebsbereich bei drei unterschiedlichen Schmierstofftemperaturen und mit der gerad- und der schrägverzahnten Antriebseinheit. Die Einflüsse unterschiedlicher Viskositäten des Schmierstoffes auf die dynamischen Lagerkräfte und auf die Geräuschentwicklung werden frequenzspezifisch untersucht und bewertet. Nach Abschluss der Validierung der dynamischen Schwingungsanregung des Getriebegehäuses mit Hilfe des erwähnten Mehrkörper-Simulationsmodells werden Schallabstrahlungsberechnungen durchgeführt. Erstmalig werden dabei die validierten dynamischen Lagerkräfte mit in die Berechnungen eingebunden. Als Abschluss werden die simulierten Schallleistungen mit den experimentell erfassten im Frequenzbereich verglichen und bewertet. Insgesamt zeigen die experimentellen und rechnerischen Ergebnisse bei allen Arbeitsschritten eine gute bis hervorragende Übereinstimmung. Damit leistet die vorliegende Arbeit einen signifikanten Beitrag zur Validierung der Schwingungsanregungen und schafft neue Möglichkeiten, Lagerkräfte im Kraftfluss experimentell und simulativ zu ermitteln und in die Berechnungskette der Schallabstrahlung einzubinden.

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Falkenberger, Stefan: Optimierung der Berechnung der Schallabstrahlung von Getriebegehäusen. experimentelle und analytische Untersuchungen zur Geräuschentwicklung von Fahrzeug-Schaltgetrieben. Ilmenau 2018. Universitätsverlag Ilmenau.

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