Transiente Kontaktberechnung bei Fahrzeuggetrieben

Abstract

Die Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Komfort und Emissionen bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen nehmen stetig zu. Hierbei hat das Fahrzeuggetriebe großen Einfluss auf diese Faktoren. Ziel ist es, möglichst früh im Entwicklungsprozess Aussagen zu wesentlichen Leistungsmerkmalen des Getriebes wie Lebensdauer und Komfort treffen zu können. Vor dem Hintergrund knapper werdender Entwicklungsressourcen und gestiegener Anforderungen spielt dabei die Simulation eine wichtige Rolle. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der rechnerischen Bestimmung des Getriebegeräusches sowie der innerhalb des Getriebes auftretenden Kräfte und Schmierzustände, die die Lebensdauer maßgeblich beeinflussen. Um simulative Aussagen über diese Größen treffen zu können, ist eine passende Beschreibung der transienten, d. h. zeitveränderlichen Kontakte essentiell. Zu diesen Kontakten zählen Verzahnungen, Schaltelemente, Wälzlager und Gleitlager. Ziel war es, für diese transienten Kontakte Modellierungsverfahren zu erarbeiten. Zudem wurden Methoden zur Simulation des restlichen Getriebes entworfen. Hierdurch ist es möglich, gesamte Getriebe einzig unter Vorgabe der Drehmoment- und Drehzahlrandbedingungen am Ein- und Ausgang abzubilden. Der Fokus der Anwendung der Methoden lag auf der Bestimmung der Klapper- und Rasselgeräusche. Dennoch wurden die Verfahren auch herangezogen, um Heul- und Pfeifgeräusche sowie Belastungen und Schmierzustände zu bestimmen. Die Zahnräder wurden mit in Umfangsrichtung flexiblen Zähnen und verformbaren Zahnflanken abgebildet. Es wurde an den Flanken der allgemeine Fall einer piezoviskosen elasto-hydrodynamischen Schmierung angenommen. Mischreibungszustände, Festkörperkontakt sowie der Einfluss der Oberflächenrauheit fanden Berücksichtigung. Bei den Schaltelementen wurden nur Synchronisierungen untersucht. Die Synchronringe wurden mit starrer Oberfläche modelliert. Alle Kontaktgeometrien zu benachbarten Bauteilen wurden vereinfachend analytisch beschrieben und ein isoviskoser hydrodynamischer Schmierzustand angenommen. Gleitlager wurden analog zu den Synchronringen behandelt, d. h. es wurde eine isoviskose hydrodynamische Schmierung bei einer starren Bauteiloberfläche angenommen. Die Wälzlager wurden durch nichtlineare Kennfelder beschrieben. Diese Kennfelder wurden in einer Vorabberechnung unter Berücksichtigung der genauen Kontaktsituation an den Wälzkörpern bestimmt. Die Implementierung aller Verfahren erfolgte modular als benutzerdefinierte Kraftelemente für die kommerzielle Mehrkörper-Simulationssoftware SIMPACK. Hierdurch wurden die größtmögliche Übertragbarkeit auf andere Problemstellungen sowie die Wiederverwendbarkeit von Modulen gewährleistet. Anschließend wurde die Modellbildung des restlichen Getriebes betrachtet. Hierbei wurden der generelle Aufbau der verwendeten elastischen Mehrkörpermodelle sowie die Schleppmomentmodellierung behandelt. Ziel war es Verfahren zu entwickeln, die das Schwingverhalten eines Getriebes in einem Frequenzbereich von bis zu 10 kHz realitätsgetreu beschreiben. Auf die Beschreibung der Modellierung folgte der Abgleich mit Messungen. Hierzu wurde zunächst ein vorhandener Prüfstand für die bevorstehenden Messaufgaben modifiziert und modernisiert. Parallel wurde ein Prüfgetriebe mit einer einzelnen Zahnradstufe entwickelt und aufgebaut sowie ein Simulationsmodell von diesem entworfen. Anschließend erfolgte der eigentliche Abgleich zwischen Messung und Simulation. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass Messung und Rechnung gut korrelierten. Im nächsten Schritt wurden Parameterstudien an Verzahnungen und Synchronisierungen durchgeführt. Besonderer Wert wurde hierbei auf die für die erarbeiteten Modellierungsverfahren charakteristischen tribologischen Parameter gelegt. Es wurden sowohl zeitliche Verläufe wichtiger Größen wie Normalkraft, Festkörperkontaktkraft und Schmierfilmdicke als auch integrale Kenngrößen wie Anregungspegel oder Wirkungsgrad für verschiedene Eingabeparameter untersucht. Zudem wurden mit Hilfe der numerischen Lösungsverfahren die Druckverteilungen auf den Zahnflanken und die dreidimensionale Spaltgeometrien berechnet. Abschließend wurden in tabellarisch übersichtlicher Form die grundsätzlichen Einflüsse wesentlicher Parameter auf die Hauptkenngrößen der Kontakte dargestellt. Im letzten Schritt wurde die Praxistauglichkeit der Methoden anhand einer Anwendung auf ein komplettes Fahrzeuggetriebe aufgezeigt. Es wurde hierzu ein Doppelkupplungsgetriebe für Fahrzeuge mit Standardantrieb ausgewählt. Dessen Klapper- und Rasselgeräuschverhalten wurde in unterschiedlichen Schaltstellungen betrachtet und der Einfluss der Vorwahlstrategie behandelt. Zum Abschluss wurden zwei Maßnahmen zur Geräuschreduzierung, eine Repositionierung der Ölpumpe sowie eine Abkopplung einer Vorgelegewelle, auf ihre Wirksamkeit hin untersucht. Mit beiden Maßnahmen ließ sich eine Geräuschreduktion nachweisen.

The requirements regarding reliability, comfort and emissions in passenger car development are rising continuously. The automotive transmission has a crucial influence on these factors. The aim is to be able to evaluate significant performance characteristics of a transmission such as lifetime and comfort at an early stage of development. Against the background of decreasing development resources and increasing requirements, simulation plays an important role. The focus of the work presented is on the determination of the transmission noise as well as the determination of the forces and lubrication conditions inside the gearbox, which have a significant influence on lifetime. In order to evaluate these factors simulatively, an appropriate description of transient transmission contacts is essential. These contacts are gears, shifting elements, rolling bearings and plain bearings. The aim was to develop modeling techniques for these transient contacts. Furthermore, methods for modeling the other transmission parts were created. Hence it is possible to simulate the whole transmission just with speed and torque boundary conditions at transmission input and output. The focus of the methods was the determination of transmission rattling noises. The methods are also used to determine whining noises as well as loads and lubrication conditions. The gearwheels were modeled with circumferentially moveable teeth and deformable flanks. The general case with piezoviscous elastohydrodynamic lubrication at tooth flanks was assumed. Mixed friction, dry contact as well as surface roughness influence were considered. Only synchronizers were considered in the field of shifting elements. The synchronizer rings were modeled with a rigid surface. All contact geometries to neighboring components were described analytically in a simplifying way and isoviscous hydrodynamic lubrication conditions were assumed. Plain bearings were treated in the same way as synchronizers, which means isoviscous lubrication conditions as well as rigid surfaces were assumed. The rolling bearings were described by nonlinear characteristic maps. These maps were obtained from precalculations taking into account the exact contact situation of the rolling elements. The methods were implemented in a modular way as user force elements for the commercial multi-body simulation software SIMPACK. In this way, maximum portability to other problems as well as reusability was assured. In the next step, the modeling of the remaining transmission parts was considered. The general design of elastic multi-body models, which were used in this work as well as drag torque calculation, was described. The aim was to develop methods which describe the vibration behavior of the transmissions realistically up to frequencies of 10 kHz. After the modeling, a comparison with measurements followed. First, an existing test bench was modified and updated for the upcoming measurement tasks. At the same time, an experimental transmission with a single gear stage as well as a simulation model of it was developed. Afterwards, the measurement and simulation results were compared. The measurement and simulation results showed a good correlation. In the next step, parameter studies with gears and synchronizers were carried out. Emphasis was placed on tribological parameters which are characteristic of the methods developed. Time-dependent behavior of important values like normal force, dry contact force and gap height as well as integral characteristics like excitation level or efficiency were investigated for different input parameters. Furthermore, pressure distributions on tooth flanks and three-dimensional gap geometries were calculated by using the numerical solution procedures. The basic influences of the main parameters on the important characteristics of the contacts were given clearly in table form at the end of the chapter. In the last step, the practicability of the methods was shown by applying them to a complete automotive transmission. A dual clutch transmission for cars with standard drive was chosen. The rattle behavior was analyzed for different shifting positions and the influence of the pre-selection strategy was treated. Then two noise reduction measures, namely a repositioning of the oil pump and a decoupling of a countershaft, were tested for their effectiveness. A noise reduction could be proven in both cases.