Entwicklung von klapper- und rasselgeräuschfreien Fahrzeuggetrieben

Abstract

Komfort ist in der Automobilindustrie zu einem Kriterium geworden, dessen Gewicht beim Kauf eines Fahrzeuges größer geworden ist. Eine dieser Komfort-Facetten stellt das Geräusch dar. Es ist allgemein unbestritten, dass zu einem positiven Geräuschempfinden im Wesentlichen beiträgt, dass insbesondere unerwünschte und störende Geräusche nicht oder nur in sehr geringem Umfang hörbar sein dürfen. Klapper- und Rasselgeräusche, die in Fahrzeuggetrieben entstehen, werden unzweifelhaft dieser Kategorie der unangenehmen Geräusche zugeordnet. In der Vergangenheit wurden in zahlreichen Forschungsarbeiten sowohl der Entstehungsmechanismus, als auch Möglichkeiten der Reduktion betrachtet. Allerdings gelang es bis heute nicht, durch getriebeinterne Maßnahmen die Entstehung der Klapper- und Rasselgeräusche wirksam zu unterbinden. In dieser Arbeit wurde daher der neuartige Ansatz der vollständigen mechanischen Entkopplung gewählt.

In einem ersten Schritt wurde systematisch untersucht, inwiefern sich die derzeit am Markt befindlichen Getriebesysteme eignen, um sie als ein vollständig klapper- und rasselgeräuschfreies Fahrzeuggetriebe, kurz KURF-Getriebe, darzustellen. Es konnten Beispiele für Ausführungsformen gefunden werden, die sich prinzipbedingt sowohl vollständig klapper- und rasselgeräuschfrei ausführen lassen, als auch solche, die diese Möglichkeit gar nicht erst eröffnen. Dabei zeigen die vorgestellten Abschätzungen, dass der Aufwand zur Umgestaltung einer Getriebebauform zum KURF-Getriebe stark variieren kann. Es offenbarte sich ferner, dass es sinnvoll ist, diese Aufwandsabschätzung separat für die vollständige Klapper- und Rasselgeräuschfreiheit vorzunehmen.

Der zweite Schritt umfasste die systematische Suche nach einem geeigneten Koppelprinzip für ein KURF-Getriebe. Im Ergebnis präsentiert sich das Prinzip Borg-Warner als äußerst geeignet, wobei in dieser Arbeit auch zwei weitere, eigenentwickelte Prinzipien, die Synchronstiftschaltung und die Passfederschaltung, zur Prototypenfertigungsreife getrieben wurden. Wie das herkömmliche Koppelprinzip nach Borg-Warner wurde auch die Synchronstiftschaltung gefertigt und auf dem IMA-Klapper- und Rasselprüfstand umfangreichen Tests unter Variation zahlreicher geometrischer und tribologischer Parameter unterzogen. Zunächst wurde eine einzelne Zahnradstufe mit Synchronstiftschaltung in einem eigens dafür angefertigten Experimentalprüfgehäuse untersucht, anschließend ein modifiziertes Seriengetriebe mit Synchronpaketen nach dem Prinzip Borg-Warner.

Die durchgeführten Geräuschmessungen zeigen eindrucksvoll, dass im entkoppelten Zustand insbesondere bei kaltem Getriebeöl und bei sehr hohen Anregungen durch sinusförmige Drehungleichförmigkeiten keine Klappergeräusche auftreten. Im direkten Vergleich mit dem gekoppelten Zustand wurden Differenzen von mehr als 20 dB gemessen. Bei heißem Getriebeöl hingegen traten Klappergeräusche auf, die im Vergleich zum gekoppelten Zustand stets wesentlich geringere Luftschalldruckpegel aufweisen und zudem auch bei weiterer Steigerung der anregenden Winkelbeschleunigungsamplitude nur marginal an Intensität zunehmen. Zusätzlich liegen die Anregungsschwellen, die sog. Klappergrenzen, bei um ein Mehrfaches höheren Winkelbeschleunigungsamplituden als im gekoppelten Zustand. In zahlreichen Messungen wurden die Einflüsse von mehreren Gatriebeparametern auf das Verhalten hinsichtlich der Klappergeräuschentfaltung untersucht und dokumentiert.

Die am modifizierten 5-Gang-Seriengetriebe durchgeführten Messungen zeigten ein grundsätzlich ähnliches Verhalten. Dabei wurde lediglich ein zusätzliches Synchronpaket in das Getriebe eingebaut, mit dessen Betätigung die gesamte Vorgelegewelle abgeschaltet werden konnte. Es wurde eine vollständige Klappergeräuschfreiheit unter definierten Umgebungsbedingungen ebenso wie eine reduzierte Rasselgeräuschemission im Direktgang nachgewiesen. Durch die mögliche Aufhebung der Zwangsdrehbewegung der Vorgelegewelle durch ein Entkoppeln des Konstantenritzels konnte ferner mit Messungen dokumentiert werden, dass sich das Getriebegesamtschleppmoment sowohl im Leerlauf wie auch im Direktgang deutlich verringert.

Die mögliche Ausführung eines Fahrzeuggetriebes als KURF-Getriebe eröffnet durch die Einbringung von zusätzlichen Koppelelementen auch zusätzliche Freiheitsgrade bei der Schaltstrategie. Mittels Simulation wurde vorgestellt, wie sich die Verteilung von Synchronisationsarbeit, Synchronisationsspitzenleistung und Schaltzeit durch unterschiedliche Reihenfolgen der Aktivierung notwendiger Koppelelemente für den Gangwechsel darstellt. Dabei wurden die Übersetzung bei konstantem Achsabstand und gleich bleibendem Schaltkraftverlauf und damit mittelbar auch die Massenträgheitsverhältnisse variiert. Als Konsequenz dieser Simulationsergebnisse können je nach Einsatzzweck optimale Schaltstrategien für beliebige Gangwechsel in Hinblick auf die oben genannten Größen ausgelegt und umgesetzt werden.

Next to economic, pragmatic and performance-related criteria comfort has become a major topic in automotive industry. One of the comfort-aspects is noise. It is commonly undoubted that especially unwanted and annoying noise can only be heard in very small amounts or even must not be heard at all when aiming to a generally positive noise pattern. Rattling and clattering noise appearing in automotive transmissions are undoubtedly assigned to this category of unpleasant noise. This is why it is an announced intend of research to eliminate this noise. A lot of research work has been done in the past in order to achieve knowledge on the mechanism of noise development as well as the possibilities of noise reduction. Nevertheless it has not been possible to effectively prevent the development of rattling and clattering noise by transmission-internal means to date. In this thesis the novel approach of a complete mechanic decoupling was chosen to face this remit.

It was systematically investigated, how far the latest transmission systems at the market and therein included coupling systems suit in order to create a completely clatter and rattle noise free automotive transmissions, in short CARF-Transmission. Referring to transmission layouts examples for embodiment were found, that can be designed completely clatter an rattle noise free by principle, as well as some, that do not offer this possibility from the first. The presented estimations show, that the effort to redesign a transmission layout into a CARF-Transmission can vary considerably.

The second step included a systematically search for an appropriate coupling principle in order to attach sufficient importance to the modified requirements to an automotive transmission regarding CARF-aspects. In result the system “Borg-Warner” turned out to be most suitable whereas two more self-developed principles shown in this treatise, the synchroniser-bolt-gearshift and the feather-key-gearshift, were driven to prototype status. Just like the conventional coupling principle agreeable to Borg-Warner the synchroniser-bolt-gearshift was manufactured and subjected to extensive test on the IMA-Clatter-And-Rattle-Test-Rig under variation of numerous geometrical and tribological parameters. At first a single gear step with synchroniser-bolt-gearshift was investigated in a therefore specially designed and manufactured experimental test housing, at second a modified serial-transmission with synchroniser packs according to the principle Borg-Warner.

The performed noise measurements show impressively, that no rattle noise is emitted in decoupled state, especially at cold transmission lubrication as well as very high excitations by sinusoidal torsional vibrations. In direct comparison to the coupled state differences of even more than 20 dB(A) were measured. However at hot transmission oil rattling noise occurred beyond characteristic excitation thresholds that always show significant less airborne sound pressure levels compared to the coupled state and also increase marginally in intensity by further escalation of the exciting angular acceleration amplitude. In addition the excitation thresholds, the so called rattle limits, occur at very much higher angular acceleration amplitudes compared to the coupled state. In numerous measurements the influence of transmission oil temperature, backlash and axial clearance, gear mode, ratio, excitation amplitude and shifting state on the behaviour concerning the deployment of rattle noise was investigated and documented.

In spite of the mounting of only a singular additional synchroniser pack in order to disengage the whole countershaft by decoupling the constant pinion, the measurements performed with the modified 5-speed-serial-transmission in coaxial layout for passenger cars showed a basically similar behaviour. A complete freedom of rattle noise under defined circumstances as well as a reduced clatter noise emission at engaged direct gear was proven. With the possibility of the avoidance of the countershaft’s forced torsional movement by the decoupling of the constant pinion it was furthermore documented that the complete transmission’s drag torque is reduced remarkably at idle mode as well as at engaged direct gear, which is in accordance to an increase of efficiency.

The feasible design of an automotive transmission as a CARF-Transmission offers also the supplemental degree of freedom concerning shifting strategy. It is shown in this paper by simulation how the distribution of synchronisation energy, synchronisation peak power and shifting time presents itself by different orders of activation of required coupling elements for the gear change. In consequence of these simulation results optimal shifting strategies for any gear shifts depending on the intended use can be dimensioned and implemented in the face of the magnitudes named above.