Auslegung geräuschoptimierter pulvermetallurgischer Stirnradverzahnungen

Scholzen, Philipp Alexander; Brecher, Christian; Broeckmann, Christoph

doi:43280

Auslegung geräuschoptimierter pulvermetallurgischer Stirnradverzahnungen = Design of noise optimized powder metallurgical cylindrical gears

Scholzen, Philipp Alexander^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabePhilipp Scholzen

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-216-0

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 2024,14

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Werkzeugmaschinen. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Brecher, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-12-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-05239
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/986507/files/986507.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 450663051 - Erforschung des erzwungenen Körperschalltransfers durch den Radkörper pulvermetallurgischer Stirnradverzahnungen zur drehzahlgerechten Auslegung der Geräuschabstrahlung schnelllaufender Getriebe (450663051) (450663051)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Akustik (frei) ; NVH (frei) ; PM (frei) ; Pulvermetall (frei) ; Radkörper (frei) ; Tragfähigkeit (frei) ; Zahnrad (frei) ; gear (frei) ; gear body (frei) ; load capacity (frei) ; powder metal (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist eine Auslegungsmethode zur Geräuschoptimierung pulvermetallurgischer Stirnradverzahnungen. Im ersten Schritt wird der Einfluss der Verdichtungs- und Einsatzhärtetiefe auf die resultierende Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit sowie das Anregungsverhalten untersucht. Zur Berücksichtigung des Verdichtungsprofils wird eine Berechnungsmethode entwickelt und validiert. Bei einer geringeren Einsatzhärtetiefe wird ein antiproportionales Verhalten der Zahnflankentragfähigkeit in Bezug zur Verdichtungstiefe festgestellt. Als Grund wird eine lastbedingte Nachverdichtung der Zahnflanken im Versuch identifiziert, welche die Tragfähigkeit als auch das Geräuschverhalten beeinflusst. Ferner wird der Einfluss der geringeren Werkstoffsteifigkeit auf das Anregungsverhalten untersucht und eine Lastverschiebung des Drehfehlerverlaufs der Zahneingriffsordnungen festgestellt. Mit der entwickelten Berechnungsmethode werden die Einflüsse abgebildet und können hinsichtlich der Auslegung vorhergesagt werden. Im zweiten Schritt erfolgt die Untersuchung des Einflusses der Radkörpergeometrie und –dichte auf das Einsatz- und Geräuschverhalten. Es wird eine dreigeteilte Berechnungsmethode entwickelt und validiert. Die drei Ziele der Berechnungsmethode sind die Berechnung des Einsatzverhalten, der Radkörpertragfähigkeit und des Schwingungsverhaltens. Radkörpermodifikationen bewirken eine über dem Umfang variierenden diskontinuierlichen Steifigkeitscharakteristik, woraus ein variierendes Einsatz- und Schwingungsverhalten resultiert. Zur Untersuchung des Schwingungsverhaltens wird der Körperschalltransferprüfstand entwickelt. Der Prüfstand ermöglicht die Untersuchung des Schwingungsverhaltens von Stirnradverzahnungen durch experimentelle Bestimmung der Übertragungsfunktion unter Last. Das Prüfergebnis ist die Übertragungsfunktion, womit die Berechnung des Schwingungsverhaltens direkt validiert wird. Ferner wird ein signifikanter Einfluss der Lage der Verzahnungseigenfrequenzen das dynamische Geräuschverhalten festgestellt. Im dritten Schritt wird, auf Basis der validierten Berechnungsmethoden, eine Methode zur Radkörperauslegung durch modale Formoptimierung entwickelt. Die Zielgrößen sind die Optimierung des Geräuschverhaltens sowie die Reduzierung der Masse. Durch die Vorgabe von kritischen Frequenzen wird ein Zielpegel berechnet, auf den die Übertragungsfunktion der Verzahnung durch Variation des Radkörpers optimiert wird. Die Verzahnungseigenfrequenzen werden in unkritische Frequenzbereiche verschoben und die Masse der Verzahnung reduziert. Die Anwendung der Auslegungsmethode erfolgt für die erste Stufe eines elektrischen Fahrzeuggetriebes. Das Ergebnis sind drei optimierte Radkörper, welche die gestellten Fertigungs- und Tragfähigkeitsrestriktionen erfüllen.

The objective of this thesis is to develop a design method for noise optimized powder metallurgical cylindrical gears. In the first step, the influence of the densification and case hardness depth on the resulting tooth root and tooth flank load capacity as well as the excitation behavior is investigated. A calculation method is developed and validated for considering the densification profile in the tooth contact analysis. At lower case hardness depth, an antiproportional behavior of the tooth flank load capacity with respect to the densification depth is observed. The reason for this is identified as loadinduced redensification of the tooth flanks in the experiment, which influences the load capacity as well as the noise behavior. Furthermore, the influence of the lower material stiffness of powder metallurgical gears on the excitation behavior is investigated and a load shift of the transmission error of the gear mesh orders is determined. The developed calculation method can simulate these influences and thus predict them during design.In the second step, the influence of the gear body geometry and density on the operating and noise behavior is investigated. A three-part calculation method is developed and validated. The three objectives of the calculation method are the calculation of the operational behavior, the gear body load capacity and the vibration behavior. Gear body modifications cause a discontinuous stiffness characteristic that varies over the circumference, resulting in a varying operational and vibration behavior. For the investigation of the vibration behavior the structure borne noise transfer test rig is developed. The test rig enables the investigation of the vibration behavior of cylindrical gears by experimentally measuring the transfer function under load. The test result is the transfer function, which directly validates the calculation of the vibration behavior. Furthermore, a significant influence of the position of the gear set natural frequencies on the dynamic noise behavior is identified. In the third step, a method for gear body design by modal form optimization is developed based on the validated calculation methods. The target parameters are the optimization of noise behavior and the reduction of mass. With the specification of criticalfrequencies, a target level is calculated to which the transfer function of the gear set is optimized by varying the gear body geometry and density. The natural frequencies of the gear set are shifted into non-critical frequency ranges and the mass of the gear set is reduced. The design method is applied to the first stage of an electric vehicle transmission. The result is three optimized gear bodies which fulfill the specified manufacturing and load capacity restrictions.

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