Klapper- und Rasselgeräuschverhalten von Pkw- und Nkw-Getrieben

Abstract

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.

Motor vehicles generate numerous sources of noise that together constitute a complex acoustic scenario. One of the dominant sources of noise is the drive train, where the main factors are the internal combustion engine and the transmission. Transmission noise has become an important ongoing focus of development work as a result of the increasing use of light-weight construction of engines and other drive train components, extensive measures to reduce fuel consumption, increasing consumer aspirations and increasingly rigorous legal restrictions on exhaust gas and noise emissions limits. Transmission rattle noise in neutral and clatter noise under load and in overrun is perceived as particularly unpleasant, not because of its high airborne sound pressure level, but because of its unpleasant characteristic. The causes of these noises are torsional vibration of transmission components that are not under load, which are moving within their functional clearances and knocking against their limits; such vibrations are increasing as a result of efforts to reduce exhaust gas emissions and fuel consumption of engines. Rattle and clatter noises constitute a comfort problem in passenger cars, and in the case of commercial vehicles they are also a source of environmental pollution. This work investigates, analyses, contrasts and compares the rattle and clatter noise behaviour of automotive transmissions - passenger car and especially commercial vehicle transmissions - and their components. In considering how to reduce the propensity of automotive transmissions to rattle and clatter noises, this paper investigates one particular approach adopted in practice. An electrically powered in-gear rattle test stand concept was developed for experimental investigation of rattle and clatter noise generation in commercial vehicle transmissions, in order to be able to move their large moments of inertia to simulate the uneven rotational speed pattern of a commercial vehicle internal combustion engine. The test stand concept developed consists of a drive with two electric motors with a total output of 186 kW, with a summarizing gear set to transmit the output to the drive shaft. This enables the desired irregular rotational speed patterns to be generated with defined setpoints and power control, up to an angular acceleration of 2200 rad/s2, with a fixed test transmission moment of inertia of 0.15 kgm2 reduced to the transmission input shaft. Prior to the investigation of rattle and clatter noise in commercial vehicle transmissions, the existing simplified rattle model (EKM) approximation method used for examining passenger car transmissions was expanded from the capability of calculating single-stage gearwheel stages to complete transmissions of any desired design and with different engagement configurations. On the basis of experimental investigations on a single-stage front/transverse transmission and various multi-stage coaxial transmission versions carried out on the existing IMA in-gear rattle test stand, numerous correlation comparisons were carried out and their rattle and clatter noise behaviour analysed. This revealed that the propensity of the gearwheel pairs studied to rattle and clatter noise increases as the mass and moment of inertia of the loose components increase. Increasing the number of rattle points (adding a fixed gear/idler pair) also increases the noise propensity of a vehicle transmission. In the case of coaxial transmissions, the countershaft is the most influential loose component, with its great mass and moment of inertia. The arrangement of the idler gear on the countershaft of a coaxial transmission has the effect of reducing rattle noise. Another rattle and clatter noise study established the effect of selected parameters such as base speed, power-unit configuration and reduced moment of inertia reduced to the transmission input shaft. Increasing base speed and increasing power unit configuration have the effect of increasing the noise emission of an automotive transmission. An increasing level of rattle noise is also to be observed as the moment of inertia of a transmission in neutral reduced to the transmission input shaft increases. The largest moment of inertia reduced to the transmission input shaft of the highest engaged gear stage of a coaxial transmission leads to the highest clatter noise level of all gear stages. Using the example of a five-speed coaxial passenger car transmission, the effect of primary transmission design parameters such as centre distance, reduced moment of inertia and transmission input torque on rattle and clatter noise generation was established using statistical multiple regression analysis. The transmission design parameters of centre distance and the reduced moment of inertia to the transmission input shaft describe with sufficient precision the rattle and clatter noise behaviour of a coaxial transmission. As the centre distance and the reduced moment of inertia increase, the level of rattle and clatter noise emitted also increases. This finding makes it possible to establish the absolute noise level using the extended EKM approximation method, for individual loose components of an automotive transmission. The of effect selected geometrical parameters such as mass and reduced moment of inertia was determined in particular in the course of the theoretical investigations of rattle and clatter noise propensity in commercial vehicle transmissions of different sizes. A correlation comparison of the experimental results with the results calculated with the EKM was carried out based on the example of a light commercial vehicle single-range change transmission. The extended EKM approximation method was used to estimate the rattle and clatter noise level of the commercial vehicle single-range change and multi-range change transmissions considered. This enables the noise pattern of commercial vehicle transmissions to be contrasted. This revealed that in the case of multi-range change transmissions of coaxial design, only the main transmission with the splitter unit is prone to rattle and clatter noises. On the other hand a rear-mounted range-change unit, for ex-ample in a planetary design, is not prone to rattle and clatter noises because of the power transmission. A subsequent comparison studied the rattle and clatter noise behaviour of car and commercial vehicle transmissions. The rattle and clatter noise behaviour of the commercial vehicle single-range change transmission and multi-range change transmission corresponds to the noise behaviour of the car coaxial transmission. As the reduced moment of inertia to the transmission input shaft increases in a commercial vehicle transmission, its rattle and clatter noise level increases as in the case of passenger car co-axial transmissions. In the course of studying rattle and clatter noise in commercial vehicle transmissions, the rattle noise behaviour of a planetary transmission of a medium-size commercial vehicle transmission was established in experimental investigations in a elementary transmission test rig developed for the purpose. These investigations confirmed that planetary transmissions can also be prone to rattle noise under certain operating conditions, such as in steady state. As the base rotational speed increases and the oil temperature rises, the level of rattle emitted by a planetary transmission also increases. The increased torsional backlash leads to an increasing level of rattle noise in the planetary transmission, both with the ring gear blocked and with it revolving. With the ring gear blocked, the plane-tary gear/ring gear pair creates the greatest propensity to rattle noise. The mode of action of measures inside the transmission to reduce rattle ad clatter noise was determined and analysed using the example of a gear pair fitted with a permanent magnet. This established in particular the number and optimum configuration of permanent magnets, and their best direction of magnetisation in a gear pair using different permanent magnetic materials. The theoretical findings confirm that the attractive power increases as the number of permanent magnet disks increases. The greatest attraction arises when rare earth magnet material is used, magnetised in an axial direction. A radial direction of magnetisation has significantly less attractive power than axial polarisation, because of an internal short-circuit, and a small magnetic flux emission surface. As the distance between the attracted gearwheels (components) increases, the attractive power decreases significantly. Axial magnetisation of the permanent magnet disk offers potential to increase attractive power, the magnetic flux line being precisely adjusted by optimisation measures.