Die virtuelle Domäne setzt sich aus 1D-Simulation und Finite-Elemente-Berechnungen zusammen, wobei die physische Domäne die realen Bauteile und einen Prüfstand für Zahnradpaare unter Last und hoher Drehzahl umfasst. Auf dem Prüfstand erfolgt eine Bewertung eines Satzes von Schrägstirnrädern in einem vereinfachten Getriebe.

Die Parameter der Zahnräder aus der Verzahnungsberechnung dienen als Fertigungsparameter für die physische Domäne und gleichzeitig als Eingangsgröße für die virtuelle Domäne, die in der 1D-Simulation zusätzlich mit weiteren Systemparametern ergänzt wird.
 

1D-Getriebemodell

Die 1D-Simulation findet zur Evaluierung des dynamischen Verhaltens des aus einem Zahnradpaar bestehenden Systems Anwendung. In dem Modell werden wesentliche Parameter des Antriebssystems einbezogen, wobei unter anderem die Trägheit und Steifigkeit der Motor- und Getriebewellen sowie der Kupplungen Berücksichtigung findet. Der Zahneingriff wird als Feder-Dämpfer angenommen, dessen Kennlinien maßgeblich von der Eingriffssteifigkeit beeinflusst werden. Die Simulation beinhaltet sowohl eine rotatorische als auch eine translatorische Komponente. Letztere findet Anwendung bei der Berechnung der Lagerreaktionskräfte, welche auf Basis der durch den Zahneingriff erzeugten Kräfte ermittelt werden. Die Lager werden als Feder-Dämpfer-Elemente implementiert und enthalten detaillierte Lager-Parameter. Aus dem Verlauf der Steifigkeit über dem Zahneingriff resultiert eine ungleichförmige Abtriebsdrehzahl, welche zu einer dynamischen Reaktion des Systems führt. Folglich werden die bei der Berechnung des Zahneingriffs ermittelten Anregungen an die Lagerstellen übertragen, von wo aus sie schließlich an das Getriebegehäuse in der 3D-Simulation weitergegeben werden.
 

3D-FEM Akustiksimulation

Durch die Kombination des dynamischen Strukturverhaltens mit den durch die 1D-Simulation berechneten dynamischen Anregungskräften lässt sich die Frequenzantwort des Getriebes sowie die Schallemissionen, einschließlich Luft- und Körperschall, abschätzen. Konkret werden diese Kräfte als dynamische Last in einer Frequenzantwortanalyse mit modaler Superposition implementiert. Die erforderliche modale Dämpfung wird experimentell bestimmt. Im Anschluss kann eine Simulation des Luftschalls durchgeführt werden. Die in der Frequenzantwortanalyse berechneten Oberflächenschellen dienen mittels Abstrahlkoeffizienten der Bestimmung des Schalldruckpegels in der Fluid-Domäne.
 

Physische Validierung

Das Ziel der physischen Tests ist die Validierung der virtuellen Modelle des Zahneingriffs bzw. der Akustiksimulation. Zur Validierung der Simulationsergebnisse der Eigenfrequenzen werden Modalanalysen an den Prüfstandskomponenten durchgeführt. Im Rahmen dieser Untersuchung wird der gesamte Prüfaufbau berücksichtigt und dessen Eigenfrequenzen in einem Campbell-Diagramm gemeinsam mit den drehzahlabhängigen Größen über der Drehzahl dargestellt, vgl. Abbildung 2 (links).

Die Versuchsparameter für die weiterführende Studie umfassen einen Hochlauf bis 5.000 min-1 bei einem konstanten Drehmoment. Die Ergebnisse der Körperschall-Untersuchungen am realen Prüfstand werden anhand eines Campbell-Diagramms in Abbildung 2 (rechts) gezeigt. In einem nächsten Schritt erfolgt ein Abgleich der simulierten Körperschall-Ergebnisse mit den am Prüfstand erfassten Messdaten.

Abschließend erfolgt ein Vergleich des simulierten Luftschalls (Schalldruckpegel) mit den Ergebnissen von Mikrofonmessungen aus der physischen Domäne. Ergebnisse hierfür liegen derzeit noch nicht vor, Vorversuche zeigen jedoch eine gute Übereinstimmung.
 

Fazit

Das vorgestellte Vorgehen ermöglicht es, mithilfe virtueller Modelle eine Aussage über die akustischen Eigenschaften eines Getriebes zu treffen. Mit der Kombination aus 1D-Simulationsergebnissen und 3D-FEM-B+erechnungen lässt sich die Anpassung von Zahnradparametern mit der Auswirkung auf die Akustik verbinden. Eine Berechnung im Frequenzbereich zeigt hierbei eine gute Ergebnisqualität bei moderater Rechenzeit. Die hier vorgestellte Methode soll bei der Entwicklung und Validierung zukünftiger Antriebssysteme helfen.