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Schwingungsbeeinflussung geometrisch komplexer Strukturen mittels piezoelektrischer Flächenwandler am Beispiel des Getriebeheulens

Späh, Britta :
Schwingungsbeeinflussung geometrisch komplexer Strukturen mittels piezoelektrischer Flächenwandler am Beispiel des Getriebeheulens.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Schwingungsbeeinflussung geometrisch komplexer Strukturen mittels piezoelektrischer Flächenwandler am Beispiel des Getriebeheulens
Language: German
Abstract:

Das vor allem im Automobilbereich bekannte Getriebeheulen ist ein tonales Störgeräusch, welches unter bestimmten Betriebsbedingungen durch die periodische Belastung der einzelnen Zähne der im Eingriff befindlichen Zahnräder angeregt wird. Die Folge sind resonante Gehäuseschwingungen, die als akustische Komfortbeeinträchtigung wahrgenommen werden.

Bislang werden nur passive Maßnahmen eingesetzt, um diesem Problem zu begegnen. In der vorliegenden Arbeit werden passive und aktive Ansätze numerisch untersucht, um bei verschiedener Verwendung piezoelektrischer Flächenwandler eine Schwingungsminderung zu realisieren. Für die Simulation dieser Ansätze wird ein vom Getriebehersteller zur Verfügung gestelltes, räumlich hoch aufgelöstes Finite-Elemente-Modell verwendet. Dieses wird zunächst an die dynamischen Eigenschaften des realen Systems, die mittels einer experimentellen Modalanalyse identifizierten werden, abgeglichen. Anhand dieses Modells wird die für das Getriebeheulen verantwortliche Eigenform identifiziert und geeignete Aktorpositionen bestimmt, auf die im FE-Modell piezoelektrische Flächenwandler integriert werden. Das so entstandene elektromechanisch gekoppelte Gesamtsystem, bestehend aus Getriebe und Flächenwandler, wird reduziert und für zeiteffiziente Simulationen der verschiedenen Ansätze verwendet.

Beim passiven Shunt-Damping werden dabei mehrere Flächenwandler jeweils mit einem Widerstand und einer Induktivität zu elektrischen Schwingkreisen kombiniert, die eine zu mechanischen Tilgern äquivalente Wirkung aufweisen. Über einen klassischen und einen neu entwickelten Ansatz zur Auslegung solcher Multi-Shunt-Systeme wird eine geringe Schwingungsamplitudenreduktion des Getriebgehäuses erreicht, wobei der neu entwickelte Ansatz dem klassischen überlegen ist. Für eine praktische Umsetzung sind die erreichbaren Reduktionen jedoch nicht ausreichend.

Das Potential aktiver Ansätze wird über eine untersuchte optimale Störgrößenaufschaltung abgeschätzt. Hierauf aufbauend wird eine realitätsnahe Simulation unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften des Leistungsverstärkers und der digitalen Echtzeitdatenverarbeitung eines einzelnen über den FxLMS-Algorithmus angesteuerten Flächenwandlers durchgeführt. Mit dieser Methode werden bereits bei der Verwendung eines einzelnen Aktors deutliche Reduktionen erreicht. Die kombinierte Anwendung mehrerer über diesen Algorithmus angesteuerten Flächenwandler ermöglicht deutliche Amplitudenreduktionen, erfordern andererseits jedoch erheblichen Aufwand insbesondere hinsichtlich der benötigten Leistungsverstärker. Abschließend wird somit eine praktische Umsetzung dieses Ansatzes nur eingeschränkt empfohlen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Gear-whining is an acoustic phenomenon especially known in the automotive industry. Under certain operation conditions periodic teeth-meshing-forces excite resonant vibrations of the transmission-housing. The resulting tonal noise is often perceived as an acoustic comfort-impairment. So far, only passive measures are used to address this problem. In the present work, passive and active approaches utilizing piezoelectric patch transducers are investigated numerically, in order to assess the attainable vibration reductions. A finite element model with high spatial resolution is used which is provided by the transmission manufacturer. In order to gain realistic results the FE model is adapted to the dynamic properties of the real transmission which are identified by an experimental modal analysis. The eigenform which is source of the gear-whining is identified and appropriate actuator positions are determined where piezoelectric patch transducers are integrated in the FE model. The resulting electro-mechanically coupled complete system model, consisting of transmission and patch transducers, is reduced and used for time-efficient simulations of the different approaches. In the case of passive shunt damping each piezoelectric patch transducer is combined with a resistor and an inductor. The resulting oscillator circuits show an effect that is equivalent to mechanical vibration absorbers. A classic and a newly developed approach of desiging such multi-shunt systems are applied. With the first mentioned an vibration amplitude reduction of the housing of 2.9 dB is attained. The new approach is superior to this one and gains a reduction of 3.6 dB. Howeer, for a practical implementation the achievable reductions are not sufficient. The potential of the active approach is investigated by an optimal feedforward-control. Based on the results, a simulation of a single patch transducer which is controlled by a FxLMS-algorithm is performed. The realistic model used in this simulation considers dynamic properties of power amplifiers and real-time digital signal processing systems. With this algorithm significant higher reductions than with the passiv approach can be achieved. The combined use of several such controlled patch transducers enables amplitude reductions in a range, where a practical implementation seems feasible. However, this approach requires a considerable effort regarding the hardware, particularly the needed power amplifiers. Therefore only a restricted recommendation for a practical implementation is made.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS)
Date Deposited: 16 Oct 2015 08:36
Last Modified: 16 Oct 2015 08:36
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-50034
Referees: Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan and Melz, Prof. Dr. Tobias
Refereed: 21 October 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5003
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