DE102014208384A1

DE102014208384A1 - Antriebsstrang und Verfahren zum Reduzieren eines Zahneingriffgeräusches eines elektrisch antreibbaren Antriebsstrangs mit einem Zahnradgetriebe

Info

Publication number: DE102014208384A1
Application number: DE102014208384.2A
Authority: DE
Inventors: Rinaldo Greiner; Wolfram Schock; Timo Benzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Es werden ein Antriebsstrang sowie ein Verfahren zum Reduzieren eines Zahneingriffgeräusches eines elektrisch antreibbaren Antriebsstrangs (10) mit einem Zahnradgetriebe (2) und einem Elektromotor (1) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: – Ermitteln eines Betriebszustandes des Antriebsstrangs (10), – Auslesen eines dem ermittelten Betriebszustand zugeordneten Datensatzes aus einem Datenspeicher (3), und – Anpassen eines Drehmomentes des Elektromotors (1) entsprechend dem Datensatz.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang sowie ein Verfahren zum Reduzieren eines Zahneingriffgeräusches eines elektrisch antreibbaren Antriebsstrangs mit einem Zahnradgetriebe. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Vermeidung aufwendiger und kostspieliger Kapselungen zur Geräuschisolation des Zahnradgetriebes.
Eines der dominantesten Geräusche von Getrieben unter Last ist das des Zahneingriffs (Eintrittstoß und Austrittstoß), wobei mit Geräusch ein Schallsignal mit einer oder mehreren überlagerten Frequenzen gemeint ist. Die Tatsache, dass Getriebe unter Last Geräusche erzeugen, wird in der Literatur immer wieder aufgeführt, siehe Naunheimer, H.; Bertsche, B.; Lechner, G.: Fahrzeuggetriebe-Grundlagen, Auswahl, Auslegung und Konstruktion. Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1. Auflage, 2007 sowie Linke, H.: Stirnradverzahnung, Haser Verlag München Wien, 2010. Insbesondere bei Maschinen, bei denen der vom Getriebe ausgehende Lärm als besonders störend empfunden wird, wie zum Beispiel im automobilen Bereich oder bei elektrisch antreibbaren Fahrrädern (eBikes, Pedelecs) spielen lärmreduzierende Maßnahmen eine große Rolle.
Das Geräusch geht insbesondere vom Prozess des Zahneingriffs aus. Der Prozess versteht sich als "parametererregte Schwingung", siehe Naunheimer, Seite 266. Im Fall eines belasteten Getriebes regt sich diese Schwingung durch den Wechsel der Zahnsteifigkeit selbst an, welche abhängig ist von der Eingriffsstellung der Zahnräder. Linke beschreibt in seinem Werk „Stirnradverzahnung“ (s.o.) zur Stirnradverzahnung den Verlauf der Verzahnungssteifigkeiten über einen kompletten Zahneingriff. Die dort gezeigten Diagramme sind als 1 wiedergegeben. Darin sind die Zahnsteifigkeit der Zahnpaare c_ZP sowie Verzahnungssteifigkeit c_Z für eine Gradverzahnung (Teildiagramme a, c) sowie für eine Schrägverzahnung (Teildiagramme b/d) über dem Bogenmaß dargestellt. Erkennbar hängt die Federsteifigkeit c_Z (von t) von der Eingriffsstellung der Zahnradzähne ab. Dieses Verhalten wird sowohl durch die Geometrie und die Elastizität der Verzahnung als auch durch fertigungsbedingte Verzahnungsabweichungen und Eingriffsstörungen maßgeblich beeinflusst. Eingriffsstörungen entstehen bei einem lastbedingt vorzeitigen Eingriff. Das Zahneingriffgeräusch ist im Luftschall in der Nähe der Maschine als Heulen oder Pfeifen zu hören. Die Art des Geräusches und damit das Frequenz- und Amplitudenspektrum des Schallsignals ist abhängig von der Art der Verzahnung. Im Stand der Technik werden sowohl passive Maßnahmen als auch aktive Maßnahmen verwendet, um den Geräuschen von Getrieben entgegenzuwirken. Zu den passiven Maßnahmen gehören

– die Anpassung der Zahngeometrie und/oder der Verzahnungsqualität,
– die Anpassung der Lagerung der Getriebestufen,
– eine weiche Lagerung der Zahnräder,
– die Dämmung des Getriebegehäuses von innen und/oder der Lageraufnahmen,
– die Verringerung der Schwingungsankopplung des Getriebes,
– eine akustische Kapselung des Getriebes oder
– der Einbau von Schwingungstilgern.

Diese Maßnahmen ziehen aufwendige konstruktive Änderungen der Bauteile und damit teure Werkzeugänderungen nach sich, was hohe Kosten in einer Serie mit großer Stückzahl nach sich ziehen kann. Eine andere konstruktive Maßnahme besteht darin, die Zähnezahl des Motorritzels möglichst so zu wählen, dass die Frequenz f₀ gleich ist z·n/60 außerhalb (meist unterhalb) eines für das Gehör empfindlichen Frequenzbereiches liegt, wobei f₀ die Zahneingriffsfrequenz, n die Motordrehzahl und z die Anzahl der Motorritzelzähne ist. Zu den aktiven Maßnahmen zur Geräuschkompensation gehören

– die Anpassung der Last und/oder der Drehzahl sofern möglich,
– der Einbau von Aktuatoren im Lager eines Zahnrades (siehe Rebbechi, B.; Howard, C.; Hansen, C.: Active Control of Gearbox Vibration, Proceedings of the active control of sound and vibration conference, Fort Lauderdale, 1999, Seite 295 bis 304) oder
– die Aufschaltung eines wechselnden Drehmomentes auf die Antriebsseite des Getriebes (siehe US 5,809,843 : Active cancellation of noise at gear mesh frequency for a gear assembly under load).

In der oben genannten Schrift US 5,809,843 wird eine elektrische Maschine genutzt, um den Vibrationen und/oder dem Geräusch des Zahneingriffs entgegenzuwirken. Dabei werden die Vibrationen/Geräusche am Getriebegehäuse gemessen und als Fehlersignal einem Regler übergeben, der die Vibrationen und/oder die Geräusche kompensiert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Vibrationen und/oder die Geräusche durch den Zahneingriff eines Getriebes mit geringstmöglichem Aufwand zu verringern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Antriebsstrang sowie ein Verfahren zum Reduzieren eines Zahneingriffgeräusches eines elektrisch antreibbaren Antriebsstrangs mit einem Zahnradgetriebe und einem Elektromotor gelöst. Die Grundidee der Erfindung ist die Beaufschlagung des Getriebes mit einem Drehmomentsignal, welches der Vibration oder dem Geräusch des Getriebes entgegenwirkt. Das Signal des Kompensationsdrehmoments wird anderen Wunschdrehmomenten, wie etwa ein statisches Antriebsmoment, aufaddiert. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der Aufschaltung des Drehmomentsignals Vibrationen und/oder Geräusche, die von dem Zahneingriffsprozess ausgehen, ohne Vibrationssensor oder Geräuschsensor deutlich verringert werden können. Um dies zu erreichen, wird vor dem Betrieb ein geeignetes Drehmomentsignal ermittelt, welches abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine und des Getriebes angepasst und als Steuerung der elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt wird.
Mit anderen Worten wird zunächst ein Betriebszustand des Antriebsstrangs ermittelt. Der Betriebszustand kann durch ein mittels des Getriebes zu übertragendes Drehmoment und/oder eine Drehzahl gekennzeichnet sein. Dabei ist die Geometrie des Zahnradgetriebes beziehungsweise der in ihm enthaltenen Zähne selbstverständlich a priori bekannt. Auch eine Temperatur der Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere der Zahnräder und ein Übersetzungsverhältnis beziehungsweise eine verwendete Zahnradkombination kann den Betriebszustand kennzeichnen. Anschließend wird ein dem ermittelten Betriebszustand zugeordneter Datensatz aus einem Datenspeicher ausgelesen. Mit anderen Worten wird in Abhängigkeit des Betriebszustandes ein zuvor abgespeicherter Datensatz konsultiert, um in einem weiteren Schritt das Drehmoment des Elektromotors entsprechend dem Datensatz anzupassen. Dabei repräsentiert der Datensatz eine Maßnahme, mittels welcher die störenden Wechselgrößen der Betriebsvibrationen derart verringert werden können, dass der akustische Eindruck des Antriebsstrangs sich für das menschliche Gehör verbessert. Eine messtechnische Ermittlung von Vibrationen und eine Erzeugung eines auf Basis dieses ermittelten Kompensationssignals kann erfindungsgemäß ausbleiben. Dies verringert den Hardwareaufwand innerhalb des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs und mindert die im Betrieb erforderliche Rechenleistung.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Betriebszustand kann beispielsweise anhand einer Betriebszustandskenngröße ermittelt werden, welche aus der Gruppe

– eine Temperatur des Zahnradgetriebes,
– eine Drehzahl des Antriebsstrangs,
– ein von dem Elektromotor angefordertes Drehmoment,
– eine Fahrstufe beziehungsweise ein Übersetzungsverhältnis, beziehungsweise eine Zahnradkombination,
– ein Strom durch den Elektromotor,
– eine Winkellage des Antriebsstrangs und
– eine zum Betrieb des Elektromotors erforderliche Spannung.

Bevorzugt kann die Erzeugung des Kompensationssignals werksseitig erfolgen, sodass eine Vielzahl für das Kompensationssignal infrage kommender Signalformen einer jeweiligen Betriebszustandskenngrößenkombination zugeordnet und im Datenspeicher vorgehalten werden kann. Im Betrieb des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs kann durch eine messtechnisch einfache Ermittlung des Betriebszustands ein geeignetes Kompensationssignal aus dem Datenspeicher ausgelesen und/oder anhand von im Datenspeicher abgelegten Parametern erzeugt werden. Eine im Stand der Technik bekannte Aufnahme und Analyse von Vibrationssignalen des Betriebsgeräusches kann daher unterbleiben.
Ein im Betrieb des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs erforderliches Drehmoment (welches im Wesentlichen konstant über der Zeit oder langsam veränderlich ist) kann zur Verringerung des Zahneingriffgeräusches erfindungsgemäß mit einem entsprechend dem Datensatz erzeugten Drehmomentwechselsignal überlagert werden. Hierbei können insbesondere die über dem Drehwinkel des Getriebes veränderliche Zahnsteifigkeit berücksichtigt werden, welche in 1 dargestellt ist. Mit anderen Worten wird das Drehmomentwechselsignal derart erzeugt, dass sich in der Überlagerung mit dem aktuellen Wunschdrehmoment ein reduziertes Zahneingriffgeräusch ergibt. Auf diese Weise wird das Zahnradgetriebe durch den Elektromotor mit einem Eingangsdrehmoment beaufschlagt, welches die Erzeugung betriebsbedingter Zahneingriffgeräusche verringert.
Der Antriebsstrang kann für ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel ausgelegt sein. Da die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs in Form von Fahrrädern und PKW derzeit rasch voranschreitet, wird somit eine kostengünstige und aufgrund geringer zusätzlicher Massen umweltfreundliche Maßnahme zur Reduzierung des Verkehrslärms bereitgestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Antriebsstrang vorgeschlagen, welcher einen Elektromotor, ein Zahnradgetriebe, einen Datenspeicher und eine Steuereinheit umfasst. Die Steuereinheit ist erfindungsgemäß eingerichtet, einen Betriebszustand des Antriebsstrangs zu ermitteln und einen dem ermittelten Betriebszustand zugeordneten Datensatz aus dem Datenspeicher auszulesen. Anhand des Datensatzes erzeugt die Steuereinheit ein elektrisches Eingangssignal für den Elektromotor, mittels welchem dieser ein Drehmoment auf das Zahnradgetriebe ausübt, welches gegenüber dem Stand der Technik eine Reduzierung des Zahneingriffgeräusches des Antriebsstrangs bewirkt. Dabei kann der Datensatz im Datenspeicher ein Zeitsignal repräsentieren oder Parameter zur Erzeugung eines geeigneten Drehmomentwechselsignals beinhalten, welches dem Wunschdrehmoment des Elektromotors zur Reduzierung des Zahneingriffgeräusches überlagert wird. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechend den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt Ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Der Datenspeicher kann bevorzugt werksseitig mit einer Vielzahl von Datensätzen beschrieben sein, welche unterschiedlichen Betriebszuständen des Antriebsstrangs zugeordnet ist. Auf diese Weise können aufwendige Messungen und Untersuchungen von Abhängigkeiten zwischen Betriebszustandskenngrößen bei der Ermittlung geeigneter Anpassungen des Wunschdrehmomentes des Elektromotors vorgenommen werden. Im Betrieb des einzelnen Antriebsstrangs gegebenenfalls nicht zur Auswertung des Betriebszustandes verfügbare Rechenleistung kann somit werksseitig aufgewandt werden, um die Zahneingriffgeräusche des Antriebsstrangs durch geeignete Datensätze zu reduzieren.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches beispielsweise als elektrisch antreibbares Fahrrad oder als elektrisch antreibbarer PKW/Transporter/LKW ausgestaltet sein kann. Erfindungsgemäß umfasst das Fortbewegungsmittel einen Antriebsstrang, wie er gemäß dem zweitgenannten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist. Auch hinsichtlich der diesbezüglichen Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 eine Übersicht zu Verzahnungssteifigkeiten über einen kompletten Zahneingriff über dem Drehwinkel im Bogenmaß sowie zu den Energien korrespondierender Zahneingriffgeräusche;
2 eine Übersicht über Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs beziehungsweise Fahrzeugs; und
3 ein Flussdiagramm veranschaulichend einen Schritt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
1a zeigt ein Diagramm zur Zahnsteifigkeit der Zahnpaare c_ZP sowie zur Verzahnungssteifigkeit c_Z am Beispiel einer Gradverzahnung. Aufgrund der Zahngeometrie ergibt sich ein vergleichsweise starker Hub der Verzahnungssteifigkeit c_Z über dem Drehwinkel. Diese führt wie auf Teildiagramm c ersichtlich zu hohen Energien im korrespondierenden Vibrationsspektrum des Betriebsgeräusches. Teildiagramme b)/d) zeigen entsprechende Diagramme für das Beispiel einer Schrägverzahnung, welche akustisch deutlich unauffälliger ist. Der Hub der Verzahnungssteifigkeit c_Z übernimmt Drehwinkel Φ ist ebenso deutlich reduziert wie die Energie des harmonisch korrespondierenden Vibrationsspektrums
2 zeigt einen PKW 20 mit einem Antriebsstrang 10, anhand dessen die Wirkung der vorliegenden Erfindung auf das Vibrationsverhalten eines Antriebsstrangs erläutert werden soll. Ausgehend von einem Wunschdrehmoment 5, welches beispielsweise aus einer (nicht dargestellten) Motorregeleinheit stammt, wird eine Steuereinheit 4, welche informationstechnisch mit einem Datenspeicher 3 verbunden ist verwendet, um ein Drehmomentwechselsignal bereitzustellen, mittels dessen das Zahneingriffgeräusch des dargestellten Antriebsstrangs 10 reduziert werden soll. Das Drehmomentwechselsignal wird in einem Summierer 6 dem Wunschdrehmoment 5 überlagert und einem Motorregler 7 zugeführt. Der Motorregler 7 erzeugt ein Leistungssignal, mittels welchem die Phasen eines Elektromotors 1 mit elektrischer Energie beaufschlagt werden. Zur gegebenenfalls erforderlichen Anpassung der Phasenspannungen erhält der Motorregler 7 über einen Rückkoppelzweig 8 eine Information bezüglicher der Phasenströme des Elektromotors 1. Abtriebsseitig ist der Elektromotor 1 über eine erste Welle mit einem Zahnradgetriebe 2 gekoppelt, welches abtriebsseitig über eine zweite Welle 11 mit einer mechanischen Last 12 gekoppelt ist. Selbstverständlich können weitere Getriebestufen zwischen dem Zahnradgetriebe 2 und der mechanischen Last 12 vorgesehen sein, ohne dass dies die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens beeinträchtigen würde. Das Betriebsgeräusch des Getriebes 2 wird durch ein erfindungsgemäß modifiziertes Drehmoment des Elektromotors 1 reduziert, welches anhand eines aktuellen Betriebszustandes durch die Steuereinheit 4 beeinflusst wird. Hierzu erhält die Steuereinheit 4 über einen Rückkoppelzweig 14 Informationen über den Betriebszustand des Motorreglers 7, im Ansprechen worauf ein geeigneter Datensatz aus dem Datenspeicher 3, welcher werksseitig befüllt worden ist, abgerufen und in ein geeignetes Drehmomentwechselsignal gewandelt wird. Der geschlossene Kreis von Motorregler 7 und Steuereinheit 4 über den Rückkoppelzweig 14 sorgt für eine aktive Dämpfung der parametererregten Schwingung im Getriebe 2. Damit ermöglicht die Erfindung die Verringerung von Vibrationen und/oder Geräuschen, da die Vibrations-/Geräuschquelle selbst kompensiert wird.
3 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Reduzieren eines Zahneingriffgeräusches eines elektrisch antreibbaren Antriebsstrangs mit einem Zahnradgetriebe und einem Elektromotor. In Schritt 100 werden werksseitig Datensätze zu unterschiedlichen Betriebszuständen in einem Datenspeicher des Antriebsstrangs geschrieben, welche Kompensationssignale zur Reduzierung der Zahneingriffgeräusche der jeweiligen Betriebszustände repräsentieren. Dies können Zeitsignale zu Drehmomentwechselsignale sein oder Parametersätze, mittels welcher die Drehmomentwechselsignale erzeugt werden können. In Schritt 200 wird im Betrieb des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ein Betriebszustand ermittelt und in Schritt 300 ein zugehöriger Datensatz aus dem Datenspeicher ausgelesen. Anschließend wird in Schritt 400 zur Reduzierung des Zahneingriffgeräusches das Drehmoment des Elektromotors entsprechend dem Datensatz durch Überlagerung eines geeigneten Drehmomentwechselsignals angepasst, wodurch das Betriebsgeräusch des Antriebsstrangs reduziert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5809843 [0004, 0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Naunheimer, H.; Bertsche, B.; Lechner, G.: Fahrzeuggetriebe-Grundlagen, Auswahl, Auslegung und Konstruktion. Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1. Auflage, 2007 [0002]
Linke, H.: Stirnradverzahnung, Haser Verlag München Wien, 2010 [0002]
"parametererregte Schwingung“, siehe Naunheimer, Seite 266 [0003]
Rebbechi, B.; Howard, C.; Hansen, C.: Active Control of Gearbox Vibration, Proceedings of the active control of sound and vibration conference, Fort Lauderdale, 1999, Seite 295 bis 304 [0004]

Claims

Verfahren zum Reduzieren eines Zahneingriffgeräusches eines elektrisch antreibbaren Antriebsstrangs (10) mit einem Zahnradgetriebe (2) und einem Elektromotor (1), umfassend die Schritte – Ermitteln (200) eines Betriebszustandes des Antriebsstrangs (10), – Auslesen (300) eines dem ermittelten Betriebszustand zugeordneten Datensatzes aus einem Datenspeicher (3), und – Anpassen (400) eines Drehmomentes des Elektromotors (1) entsprechend dem Datensatz zum Reduzieren des Zahneingriffgeräusches des Antriebsstrangs (10).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betriebszustand anhand einer Betriebszustandskenngröße ermittelt wird, welche – eine Temperatur des Zahnradgetriebes (2), und/oder – eine Drehzahl des Antriebsstrangs (10), und/oder – ein von dem Elektromotor (1) angefordertes Drehmoment, und/oder – eine Fahrstufe, und/oder – einen Strom durch den Elektromotor (1), und/oder – eine Winkellage des Antriebsstrangs (10), und/oder – eine zum Betrieb des Elektromotors (1) erforderliche Spannung umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend – Abspeichern (100) des dem ermittelten Betriebszustand zugeordneten Datensatzes.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Anpassen des Drehmomentes des Elektromotors (1) ein Überlagern eines aktuellen Drehmomentes mit einem entsprechend dem Datensatz erzeugten Drehmomentwechselsignals umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Antriebsstrang (10) für ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel (20) ausgelegt ist.
Antriebsstrang umfassend: – einen Elektromotor (1), – ein Zahnradgetriebe (2), – einen Datenspeicher (3), und – eine Steuereinheit (4), wobei die Steuereinheit (4) eingerichtet ist, – einen Betriebszustand des Antriebsstranges (10) zu ermitteln (200), – und einen dem ermittelten Betriebszustand zugeordneten Datensatz aus dem Datenspeicher (3) auszulesen (300), und – ein Drehmoment des Elektromotors (1) entsprechend dem Datensatz zur Reduzierung eines Zahneingriffgeräusches des Antriebsstrangs (10) anzupassen (400).
Antriebsstrang nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Datenspeicher (3) werksseitig mit einer Vielzahl von Datensätzen entsprechend unterschiedlichen Betriebszuständen beschrieben ist.
Antriebsstrang nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher für ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel (20) ausgelegt ist.
Fortbewegungsmittel, insbesondere elektrisch antreibbares Fahrrad, umfassend einen Antriebstrang (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 8.