In der vorliegenden Arbeit wird die experimentell gestützte Validierung der Schallleistungsberechnung für PKW-Getriebe dokumentiert. Dadurch soll ein Beitrag geleistet werden zur Verbesserung der strukturdynamischen und akustischen Simulation von Fahrzeuggetrieben. Für die experimentellen Untersuchungen wird ein Getriebeprüfstand mit einem eigens entwickelten zweistufigen Getriebe und komplexen Gehäuse verwendet. Eine Besonderheit stellen dabei die speziell entwickelten Sensoren zur Messung der Anregungskräfte an den Festlagern dar. Zugleich werden die Oberflächenbeschleunigungen des Gehäuses sowie die Schallleistung erfasst. Der Getriebeprüfstand wird als MKS-Modell in zwei verschiedenen Tools aufgebaut. Die einzelnen Komponenten (Lager-, Verzahnungs- und Strukturmodelle) werden zunächst isoliert betrachtet und verifiziert. Beim Vergleich des statischen Drehwegfehlers der Verzahnungsmodelle werden gemessene Flankentopologien berücksichtigt. Um die FE-Modelle der Wellen und des Gehäuses zu validieren, werden experimentell und rechnerisch ermittelte Eigenformen und Übertragungsfunktionen verglichen. Während für die Einzelteile ein sehr guter Abgleich über einen großen Frequenzbereich gelingt, zeigt sich bei der Gehäusebaugruppe, dass die Übereinstimmung mit der Messung stark von der jeweiligen Frequenz abhängt und ab ca. 3 kHz abnimmt. Durch den Einbezug der mit 3D-Scans ermittelten Realgeometrie sowie des Einflusses der Gehäusedichtung kann festgestellt werden, dass diese Faktoren nicht für die Unterschiede verantwortlich sind. Umfangreiche Untersuchungen mit den MKS-Gesamtmodellen für konstante Drehzahlen und Hochläufe erlauben einen gründlichen Abgleich mit gemessenen Lagerkräften und Beschleunigungen. Es wird nachgewiesen, dass fertigungsbedingte Flankenabweichungen der Verzahnungen möglichst vollständig in der Simulation berücksichtigt werden sollten, um gute Ergebnisse zu erhalten. Zur Beurteilung des Schwingungsverhaltens im Betrieb werden dabei die Betriebsschwingungs- und die Ordnungsbasierte Modalanalyse eingesetzt, letztere wird dabei auch auf Simulationsdaten angewandt. Der Vergleich zeigt, dass die mit der MKS berechneten Schwingungsantworten durch die numerische Dämpfung beeinflusst werden. Dies wird auch in der Akustiksimulation erkennbar. Diese wird basierend auf berechneten und gemessenen Lagerkräften mit drei unterschiedlichen Methoden (WBT, IBEM, FEM) durchgeführt. Unter Einbezug der Erkenntnisse zur Schwingungsanregung und -antwort sowie der gemessenen Schallleistungen werden sehr gute Übereinstimmungen erzielt. Außerdem können die Ursachen für Abweichungen sehr differenziert herausgearbeitet und bewertet werden. Dadurch werden Möglichkeiten zur Weiterentwicklung ersichtlich und die Akustikanalyse von Fahrzeuggetrieben entscheidend vorangebracht.
The present work documents the experimentally supported validation of the sound power calculation for passenger car manual transmissions along the entire sound generation chain. The aim is to contribute to the improvement of the structural dynamic and acoustic simulation of vehicle transmissions. An optimized gearbox test bench is used for the experimental investigations. The housing of the transmission is taken from a standard passenger car manual transmission, while a custom-built two-stage transmission in a layshaft design is installed inside to minimize complexity. An outstanding feature are the specially developed sensors for the measurement of the excitation forces at the fixed bearings during operation. At the same time, the surface accelerations of the housing and the sound power are recorded in accordance with DIN EN ISO 3734-1. The test bench is set up as a MBS model in various tools with reduced flexible bodies as well as nonlinear bearing and gear elements. The individual components are first investigated and verified separately. For the analytical bearing models an approach for the meaningful determination of the bearing geometry is shown. In addition, several common gear models are compared with respect to the static transmission error while also taking into account the measured flank topologies. In order to validate the FE models of the shafts and the housing, experimentally and computationally determined eigenmodes and transfer functions are compared. A very good match over a very large frequency range can be achieved for single components, whereas for the housing assembly the agreement with the measurement strongly depends on the respective frequency and decreases from about 3 kHz. By including the real geometry determined with 3D scans as well as the influence of the housing seal, it is concluded that these factors are not responsible for the differences. Extensive investigations with the MBS models for constant speeds and run-ups allow a thorough comparison with measured bearing forces and accelerations. It is proven that manufacturing-related flank deviations of the gears should be considered as completely as possible in the simulation in order to obtain good results. For the evaluation of the vibration behavior in operation, the operational vibration analysis and the order-based modal analysis are employed, the latter is also applied to simulation data. The comparison shows that the vibration responses calculated with the MBS are influenced by the numerical damping. This is also evident in the acoustic simulation. It is performed based on calculated and measured bearing forces for four operating points with three different methods (FEM, IBEM, WBT). Taking into account the findings on the vibration excitation and response as well as the measured sound power levels, very good agreements are achieved. In addition, the causes for deviations can be identified and evaluated in a very differentiated manner. This clearly reveals the possibilities for further development and decisively advances the acoustic analysis of vehicle transmissions.
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