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Konzeption und Auslegung von geräuschoptimierten inäquidistanten Verzahnungen

Neubauer, Philipp Georg Rudolf :
Konzeption und Auslegung von geräuschoptimierten inäquidistanten Verzahnungen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Neubauer - 2019 - Dissertation inaequidistante Verzahnung - 2019-08-10.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Konzeption und Auslegung von geräuschoptimierten inäquidistanten Verzahnungen
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In electric drive trains, such as in electric vehicles, gear drives are often the dominant source of noise due to a low masking by the engine. This noise is very prominent and is, therefore, considered particularly annoying due to the strongly tonal character of the tooth mesh noise. In the state of the art gear noise is reduced by the use of helical gearing, mechanical decoupling, damping, and gear tooth modifications. However, this has little or no influence on the tonal noise character. An approach from other areas of noise control engineering, such as the reduction of tonal noise excited by vehicle tire treads and fans by using uneven geometries, is applied to gear wheels. This results in the inequidistant gearing. In addition to the reduction of the physically measurable sound pressure, particularly the annoying tonal noise character is reduced. The state-of-the-art measures of gear noise reduction may be combined with the inequidistant gearing to achieve even stronger noise reduction. In this thesis methods are developed that can be used to design the new inequidistant gearing from scratch and to acoustically optimize it. In order to enable the design of noise optimized inequidistant gears, their noise excitation mechanisms are mathematically modeled. For this purpose, the fundamentals of the geometric modeling of inequidistant gears, based on introduced inequidistance parameters, are presented. The analytical calculation chain, which comprises static, elastostatic, dynamic and machine acoustic modeling steps, is developed to enable the noiseoptimal design of inequidistant gears. Approaches for the calculation of the gear mesh stiffness and the load-induced increase of overlap of conventional gears known from literature are extended with regard to the application to inequidistant gears. These approaches are validated by FEM simulations. A dynamic model of a set of spur gears is set up, which provides the dynamic tooth forces, which are used as input variables in the fundamental equation of machine acoustics. The structure-borne sound efficiency and the sound radiation are determined for a gear test bench. This test bench is designed and built up within the scope of this work in order to allow for experimental simulations and to validate the analytical modeling chain. The results show that the selected modeling approaches are well suited to calculate the noise excited by inequidistant gears. A noise evaluation approach for inequidistant gears is presented, which is derived from the results of a psychoacoustic listening test. Hence, the capability of inequidistant gears to reduce gear noise is validated, based on subjective judgments. Finally, an optimization approach regarding the noise reduction of inequidistant gears, which takes the acoustic properties of the test bench into account, is presented. The result of an exemplary optimization is discussed. The results of this thesis show that the noise of gear drives can be significantly reduced by using inequidistant gears. The developed analytical calculation chain and the methods for the design of noise-optimized inequidistant gears enable the calculation of the overall sound pressure level, the frequency spectra and the order spectra with good accuracy for spur gears and sufficient accuracy for helical gears. The developed optimization method allows for the design of acoustically optimized inequidistant gears.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM) > Control of structure-borne and airborne sound
Date Deposited: 06 Sep 2019 12:24
Last Modified: 06 Sep 2019 12:24
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-89758
Referees: Melz, Prof. Dr. Tobias and Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan
Refereed: 16 July 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8975
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