Development of Active Vibration Control System for Gearbox Housings

This thesis presents a systematic approach to developing an active vibration control system for lightweight transmissions by placing piezoelectric inertial mass actuators on the gearbox housing. The main objective is to minimise the structure-borne vibrations caused by gear whine at the mounting points of the gearbox where it is connected to the car body. These vibrations, particularly in the frequency range of 1000 - 5000Hz, can be amplified into audible noise in the passenger compartment, reducing comfort. The development process begins with studying the system’s dynamics through two gearbox housing models. The first model is a simplified version of a dual-clutch transmission with a non-rotating load, analysed using ANSYS to determine actuator requirements. The second model is a hybridized version of a fully operational dual-clutch gearbox, modelled with Romax to simulate dynamic behaviour under realistic excitation, helping establish actuator force requirements, placement, and control strategies. Macro-Fibre Composites (MFCs) are chosen as sensors for their low cost and wide operating bandwidth in the desired frequency range. They are calibrated for use in place of piezoelectric accelerometers. A real-time system is constructed with a microcontroller development board for high-speed data acquisition from the MFCs and closed-loop control implementation with the actuators. Optimal actuator placement is determined using Frequency Response Functions (FRFs) from an experimentally correlated model of the gearbox and actuator. The optimization considers spatial and modal controllability in the frequency domain. The thesis discusses single and paired actuator positioning. Multi-point control approaches based on the FxLMS algorithm are developed to minimize vibrations at the mounting points within the computational constraints of a microcontroller. Three variations—single input multi-output, mixed error, and switched error algorithms—are studied and compared. Mixed and switched error algorithms reduced the computational time of multi-point control by almost half compared to single input multi-output approach. The active vibration control system is demonstrated on an operational gearbox, achieving vibration attenuation of 4 - 14dB can be achieved with both switched and mixed error approaches at 2500Hz. The mixed error algorithm proved to be most feasible to implement given its comparable performance in achieving vibration reduction across all points and computational simplicity. The thesis also discusses the cost and weight implications of the add-on system.

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines aktiven Schwingungsminderungssystems für Leichtbaugetriebe mithilfe von piezoelektrischen Aktoren am Getriebegehäuse. Ziel ist es, Körperschallschwingungen zu minimieren, die durch das Heulen des Getriebes an den Befestigungspunkten entstehen, insbesondere im Frequenzbereich von 1000 bis 5000Hz, um den Fahrkomfort zu verbessern. Der Entwicklungsprozess beginnt mit der Untersuchung der Systemdynamik anhand zweier Getriebemodelle. Ein vereinfachtes Modell eines Doppelkupplungsgetriebes wird mit ANSYS analysiert, um die Anforderungen an die Aktuatoren zu bestimmen. Ein weiteres Modell, eine hybridisierte Version eines voll funktionsfähigen Doppelkupplungsgetriebes, wird mit Romax modelliert, um das dynamische Verhalten unter realistischer Anregung zu simulieren. Makrofaserverbundwerkstoffe (MFC) werden als kostengünstige Sensoren mit großer Betriebsbandbreite eingesetzt. Ein Echtzeitsystem mit einem Mikrocontroller Entwicklungsboard wird für die Datenerfassung und Aktuatorsteuerung implementiert. Die optimale Aktuatorplatzierung erfolgt mithilfe von Frequenzgangfunktionen (FRFs) aus einem experimentell korrelierten Modell. Die Optimierung berücksichtigt die räumliche und modale Kontrollierbarkeit. Die Dissertation erörtert die Positionierung einzelner und gepaarter Aktoren. Zur Schwingungsminimierung werden Mehrpunkt-Regelungsansätze basierend auf dem FxLMS-Algorithmus entwickelt. Drei Varianten - Single-Input-Multi-Output, Mixed-Error und Switched-Error - werden verglichen. Das aktive Schwingungsminderungssystem wird an einem betriebsbereiten Getriebe demonstriert, wobei eine Schwingungsminderung von 4 - 14 dB sowohl mit geschalteten als auch mit gemischten Ansatz bei 2500Hz erreicht werden. Der Mixed-Error-Algorithmus erwies sich als am praktikabelsten, da er vergleichbare Leistung bei der Schwingungsreduzierung in allen Punkten und Vibrationsreduzierung in allen Punkten und der Einfachheit der Berechnungen. Die Arbeit befasst sich auch mit den Auswirkungen des Zusatzsystems auf Kosten und Gewicht.