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Klapper- und Rasselgeräuschverhalten von Pkw- und Nkw-Getrieben
(2003) Ryborz, Joachim; Bertsche Bernd (Prof. Dr.-Ing.)
Beim Kraftfahrzeug tritt eine Vielzahl von Geräuschquellen auf, die sich zu einem komplexen akustischen Gesamtszenario überlagern. Eine der dominierenden Geräuschquellen ist hierbei der Antriebsstrang, bei dem neben dem Verbrennungsmotor das Getriebe einen wesentlichen Einfluss aufweist. Getriebegeräusche stellen auf Grund vermehrten Leichtbaus sowohl von Verbrennungsmotoren als auch weiterer Triebstrangkomponenten, weitreichender Einsparmaßnahmen im Energieverbrauch, steigender Ansprüche des Käufers sowie verschärfter Abgas- und Geräuschemissionsgrenzwerte seitens des Gesetzgebers ein stetiges und wichtiges Entwicklungsziel dar. Ein nicht wegen seines hohen Luftschalldruckpegels sondern auf Grund der lästigen Charakteristik besonders unangenehm empfundenes Getriebegeräusch stellt im Leerlauf das Klappergeräusch und im Zug- oder Schubbetrieb das Rasselgeräusch dar. Die Ursachen dieser Geräusche sind infolge von Verbrauchsoptimierungs- und Abgasreduzierungsbemühungen von Verbrennungsmotoren zunehmende Torsionsschwingungen von nicht unter Last stehenden Getriebekomponenten, die sich innerhalb ihrer funktionsbedingten Spiele bewegen und an ihren Grenzen anstoßen. Die Klapper- und Rasselgeräusche stellen bei Personenkraftwagen ein Komfortproblem dar und bei Nutzkraftwagen sind sie zusätzlich eine Belastung für die Umwelt. In der vorliegenden Arbeit wurde das Klapper- und Rasselgeräuschverhalten von Fahrzeuggetrieben - Pkw und insbesondere von Nkw-Getrieben - und deren Komponenten untersucht, analysiert, gegenübergestellt und miteinander verglichen. In einer Betrachtung der Reduzierung der Klapper- und Rasselgeräuschneigung von Fahrzeuggetrieben wurde in dieser Arbeit die Wirkungsweise einer Maßnahme untersucht. Für die experimentelle Untersuchungsmöglichkeit der Klapper- und Rasselgeräuschentfaltung von Nkw-Getrieben wurde ein elektromotorisches Klapperprüfstandskonzept entwickelt, um deren großen Massenträgheitsmomente entsprechend des ungleichförmigen Drehzahlverlaufs eines Nkw-Verbrennungsmotors bewegen zu können. Das entwickelte Prüfstandskonzept besteht aus einem Zwei-Elektromotoren-Antrieb mit einer Gesamtleistung von 186 kW, deren Antriebsleistung über ein Summengetriebe auf die Antriebswelle übertragen wird. Mit definierter Sollwertvorgabe und Motorenansteuerung können dadurch die gewünschten ungleichförmigen Drehzahlverläufe bis zu einer Winkelbeschleunigung von 2200 rad/s2 bei einem festgelegten, auf die Getriebeeingangswelle reduzierten Prüfgetriebemassenträgheitsmoment von 0,15 kgm2 erzeugt werden. Im Vorfeld der Klapper- und Rasselgeräuschuntersuchung von Nkw-Getrieben wurde im Rahmen der Pkw-Getriebe-Betrachtung das bestehende EKM-(Einfachst-Klapper-Modell)-Näherungsverfahren von der Berechnungsmöglichkeit einstufiger Zahnradstufen auf Komplettgetriebe beliebiger Ausführung und unterschiedlicher Schaltzustände erweitert. Anhand von experimentellen Untersuchungen an einem einstufigen Front-/Quer-Getriebe und unterschiedlichen mehrstufigen Koaxial-Getriebe-Ausführungen, die auf dem vorhandenen IMA-Klapper- und Rasselprüfstand durchgeführt wurden, wurden zahlreiche Korrelationsvergleiche durchgeführt und deren Klapper- und Rasselgeräuschverhalten analysiert. Hierbei zeigte sich, dass mit zunehmender Masse und steigendem Massenträgheitsmoment der Loskomponente auch die Klapper- und Rasselgeräuschneigung der betrachteten Zahnradpaarung zunimmt. Aber auch eine zunehmende Klapperstellenanzahl (eine weitere Fest-/Losradpaarung) erhöht die Geräuschneigung eines Fahrzeuggetriebes. Bei Koaxial-Getrieben ist die Vorgelegewelle mit ihrer großen Masse und großem Massenträgheitsmoment die einflussreichste Loskomponente. Die Losrad-Anordnung auf der Vorgelegewelle eines Koaxial-Getriebes wirkt sich klappergeräuschreduzierend aus. In einer weiteren Klapper- und Rasselgeräuschbetrachtung wurde der Einfluss ausgewählter Parameter wie Grunddrehzahl, Motorordnung und auf die Getriebeeingangswelle reduziertes Massenträgheitsmoment ermittelt. Eine steigende Grunddrehzahl und eine zunehmende Motorordnung bewirken ein Anstieg der Geräuschabstrahlung eines Fahrzeuggetriebes. Ein steigender Klappergeräuschpegel ist auch bei der Zunahme des auf die Getriebeeingangswelle reduzierten Massenträgheitsmoments eines Getriebes im Leerlauf festzustellen. Das größte auf die Getriebeeingangswelle reduzierte Massenträgheitsmoment der höchsten geschalteten Gangstufe eines Koaxial-Getriebes führt zum größten Rasselgeräuschpegel aller geschalteten Gangstufen. Am Beispiel fünfgängiger Pkw-Koaxial-Getriebe wurde mit Hilfe der statistischen multiplen Regressionsanalyse der Einfluss wesentlicher Getriebeauslegungsparameter wie Achsabstand, reduziertes Massenträgheitsmoment und Getriebeeingangsdrehmoment auf deren Klapper- und Rasselgeräuschentfaltung ermittelt. Die Getriebeauslegungsparameter Achsabstand und das auf die Getriebeeingangswelle reduzierte Massenträgheitsmoment beschreiben mit hinreichender Genauigkeit das Geräuschverhalten eines Koaxial-Getriebes. Mit zunehmendem Achsabstand und auf die Getriebeeingangswelle steigendem Massenträgheitsmoment nimmt auch der abgestrahlte Klapper- und Rasselgeräuschpegel zu. Durch diese Erkenntnis besteht mit Hilfe des erweiterten EKM-Näherungsverfahrens die Möglichkeit der Absolutgeräuschpegelermittlung einzelner Loskomponenten eines Fahrzeuggetriebes. Im Rahmen der theoretischen Untersuchungen der Klapper- und Rasselgeräuschneigung von Nkw-Getrieben unterschiedlicher Größe wurde insbesondere der Einfluss ausgewählter Geometrieparameter wie Masse und reduziertes Massenträgheitsmoment ermittelt. Am Beispiel eines leichten Nkw-Ein-Gruppengetriebes wurde ein Korrelationsvergleich der experimentellen Ergebnisse mit den EKM-Berechnungsergebnissen durchgeführt. Mit dem erweiterten EKM-Näherungsverfahren erfolgte eine Abschätzung des Klapper- und Rasselgeräuschpegels der betrachteten Nkw-Ein- und Mehr-Gruppengetriebe. Dadurch konnte eine Gegenüberstellung des Geräuschverhaltens bei Nkw-Getrieben durchgeführt werden. Hierbei zeigte sich, dass bei Mehr-Gruppengetrieben, die in Koaxial-Bauweise ausgeführt sind, nur das Hauptgetriebe mit der Vorschaltgruppe zu Klapper- und Rasselgeräuschen neigt. Eine Nachschaltgruppe, beispielsweise in Planeten-Bauweise, neigt hingegen infolge der Leistungsführung nicht zur Klapper- und Rasselgeräuschentfaltung. In einem nachfolgenden Vergleich wurde das Klapper- und Rasselgeräuschverhalten von Pkw- und Nkw-Getrieben betrachtet. Das Klapper- und Rasselgeräuschverhalten der Nkw-Ein- und der Mehr-Gruppengetriebe entspricht dem Geräuschverhalten der Pkw-Koaxial-Getriebe. Mit zunehmendem auf die Getriebeein-gangswelle reduzierten Massenträgheitsmoment eines Nkw-Getriebes steigt, wie auch beim Pkw-Koaxial-Getriebe, dessen Klapper- und Rasselgeräuschpegel. Im Rahmen der Klapper- und Rasselgeräuschbetrachtung von Nkw-Getrieben wurde in experimentellen Untersuchungen das Klappergeräuschverhalten eines Planetengetriebes eines mittelschweren Nkw-Getriebes in einem hierfür entwickelten Elementar-Prüf-Gehäuse ermittelt. Diese Untersuchungen haben bestätigt, dass auch Planetengetriebe in bestimmten Betriebszuständen, wie beispielsweise im Beharrungszustand, zur Klappergeräuschentfaltung neigen können. Mit zunehmender Grunddrehzahl und steigender Öltemperatur nimmt auch der emittierte Klappergeräuschpegel eines Planetengetriebes zu. Das zunehmende Verdrehflankenspiel führt zum steigenden Klappergeräuschpegel des Planetengetriebes sowohl beim verblockten als auch beim umlaufenden Hohlrad. Beim verblockten Hohlrad liefert die Zahnradpaarung Planetenrad/Hohlrad den größeren Beitrag zur Klappergeräuschneigung. Am Beispiel einer dauermagnetbestückten Zahnradpaarung wurde die Wirkungsweise einer getriebeinternen Maßnahme zur Reduzierung der Klapper- und Rasselgeräusche ermittelt und analysiert. Hierbei wurde insbesondere die beste Anordnung und die Anzahl der Dauermagnete sowie deren beste Magnetisierungsrichtung in einer Zahnradpaarung beim Einsatz unterschiedlicher Dauermagnetwerkstoffe ermittelt. Die theoretisch ermittelten Erkenntnisse bestätigen, dass mit zunehmender Dauermagnetscheibenanzahl auch die Anziehungskraft zunimmt. Die größte Anziehungskraft tritt beim Einsatz des Seltenerd-Magnetwerkstoffs auf, der in axialer Richtung magnetisiert ist. Eine radiale Magnetisierungsrichtung weist infolge eines internen Kurzschlusses und einer geringen Magnetfluss-Austrittsfläche eine deutlich geringere Anziehungskraft im Vergleich zu der axialen Polarisierung auf. Mit zunehmenden Abstand zwischen den sich anziehenden Zahnrädern (Komponenten) nimmt die Anziehungskraft deutlich ab. Ein Potenzial zur Steigerung der Anziehungskraft bietet die axiale Magnetisierung der Dauermagnetscheibe, bei der durch Optimierungsmaßnahmen der Magnetflusslinienverlauf gezielt beeinflusst wird.