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antriebstechnik 6/2021

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antriebstechnik 6/2021

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE ANTRIEBSSIMULATION SCHWINGUNGEN PER SOFTWARE ANALYSIEREN D. Marano, Senior Transmission Engineer, GearLAB; L. Pascale, Senior Transmission Engineer, GearLAB; J. Langhart, Senior Engineer – Global sales, KISSsoft AG; S. Ebrahimi, Software Developer, KISSsoft AG; T. Giese, Technical Director, FunctionBay GmbH Elektrische Antriebe haben charakteristische Geräusche, die aus den elektromagnetischen Kräften, dem Antriebsstrang und anderen Quellen entstehen. Die Geräusche sind dabei nichts Anderes als Schwingungen im Antriebssystem. Um diese schon früh vorherzubestimmen und wenn möglich zu vermeiden, gibt es leistungsfähige Variantenrechnungen und Simulationssoftware. Der im Folgenden analysierte E-Antrieb ist ein zweistufiges Getriebe mit einem Gang, welches die Vorderachse eines Elektrofahrzeugs antreibt, wie im Bild oben dargestellt. Die Auslegung und Lebensdauerberechnung des Antriebstranges wird in KISSsys durchgeführt. Die Leistung wird von einem Permanentmagnet-Synchronmotor über eine Keilwellenverbindung auf die Antriebswelle übertragen. Die elektrische Maschine hat 2p=6 Pole und s=36 Statornuten. Die Abtriebsstufe beinhaltet auch das Differentialgehäuse. Der Differential-Triebsatz wird in der vorliegenden Arbeit nicht berücksichtigt. In Bild 01 sind die Tragbilder und Eingriffsstrecken der Zahnräder für zwei Auslegungen angegeben, und zwar für Zahnräder mit niedriger Überdeckung (LCR) und Zahnräder mit hoher Überdeckung (HCR), welche eine Profilüberdeckung ε_α von über 2 erreichen. Für beide Auslegungen ist die Eingriffsordnung der ersten Stufe 23,00 und die Eingriffsordnung der zweiten Stufe 9,98. Die Ordnung 1 bezieht sich auf die Welle der elektrischen Maschine. GERÄUSCH- UND SCHWINGUNGSSIMULATION DES E-ANTRIEBES Die Simulationen werden durchgeführt, um die Optimierung des HCR-Getriebes gegenüber des LCR-Getriebes in Bezug auf die Drehwegabweichung (PPTE), den Zahneingriff und die Lagerkräfte zu bewerten. Die aus der HCR-Getriebesimulation resultierende äquivalente Abstrahlleistung (ERP) des Gehäuses wird analysiert. Die Modifikationen der Zahnrad-Mikrogeometrie wurden mit Hilfe von KISSsys entworfen: Schrägungswinkelmodifikation und Balligkeiten wurden angewendet, um den Breitenlastfaktor K_Hβ zu reduzieren, während die Kopfrücknahme und die Profilballigkeit angewendet wurden, um den Kontaktstoß zu eliminieren und die Drehwegabweichung zu optimieren. Die folgenden Ergebnisse werden für ein Eingangsdrehmoment von 60 Nm (fast 50 % des Nenndrehmoments) bei 1000 U/min erzielt. ANALYSE DER ERZWUNGENEN SCHWINGUNG Die Forced-Response-Analyse wurde mit RecurDyn, einer Mehrkörperdynamik-Software (MBD), durchgeführt, wobei sich die Getriebedaten dafür aus dem KISSsys-Modell importieren lassen. Es wurden vier Simulationen nach dem folgenden Schema durchgeführt: n LCR- und HCR-Getriebe, starres Gehäuse n LCR- und HCR-Getriebe, flexibles Gehäuse Um die Auswirkung einer höheren Überdeckung auf den dynamischen Übertragungsfehler und die Zahneingriffskraft besser zu 24 antriebstechnik 2021/06 www.antriebstechnik.de

KOMPONENTEN UND SOFTWARE DIE IDEE 01 Auswirkung der Modifikationen auf das in mit der Software berechnete Tragbild und den statischen PPTE verstehen – welche wiederum die transienten Lagerkräfte bestimmen – wird die erste Simulation mit starrem Gehäuse durchgeführt. Die Hauptanregungsordnungen sind wie folgt: n Ordnungen 23 und 46: jeweils erste und zweite Harmonische der Zahneingriffsfrequenz für die erste Zahnradstufe. n Ordnungen 10, 20 und 30: jeweils erste, zweite und dritte Harmonische der Zahneingriffsfrequenz für die zweite Zahnradstufe. Außerdem wird das Oberschwingungsspektrum des Signals analysiert. Die Ergebnisse bestätigen eine deutliche Reduzierung der Amplituden der Eingriffsordnungen sowohl für die erste als auch für die zweite Stufe des Getriebes zwischen den HCR- und LCR- Getriebeausführungen. Im weiteren Verlauf wurden die Zahneingriffskräfte (FM) aufgetragen und deren Oberwellen analysiert. Für den ersten Fall sind die dominierenden Ordnungen diejenigen, welche mit den Zahneingriffsfrequenzen der ersten Untersetzungsstufe zusammenhängen; für das LCR-Getriebe ist neben der Ordnung 10 und ihren Oberwellen vor allem die Ordnung 23 auffällig. Zusätzlich wurden die Lagerkräfte verglichen und das Frequenzspektrum grafisch dargestellt. Da die Lager die dynamische Belastung auf das Gehäuse übertragen, führt eine Verringerung des Oberwellenanteils der Lagerkräfte zu einer Verringerung der Gehäuseanregung, was letztlich zu einer Reduzierung des Gesamtgeräuschpegels führt. Bei allen Lagern hat sich die Amplitude verringert, auch wurden die meisten Oberschwingungen durch den Ersatz des LCR-Zahnradsatzes durch den HCR-Zahnradsatz reduziert. Bei den Lagern auf der Eingangswelle beziehen sich die Hauptordnungen auf die Eingriffsfrequenz der ersten Stufe des Getriebes und deren Oberschwingungen. Für die Lager auf der Zwischenwelle sind die Zahneingriffsfrequenzen der ersten und zweiten Stufe vorhanden. Bei den Lagern auf der Abtriebswelle beziehen sich die Hauptordnungen auf die Zahneingriffsfrequenz der zweiten Stufe und deren Oberschwingungen. „Mit unserer Methode und der der verwendeten Software Kisssys ist es uns gelungen, den E-Antrieb zu simulieren. So konnten zwei verschiedene Konfigurationen hinsichtlich der Geräuschentwicklung miteinander verglichen werden. Auch konnte das Ausmaß der Schwingungen am Gehäuse mit Konturdiagrammen dargestellt werden.“ Davide Marano, Senior Transmission Engineer, GearLab, Modena AKUSTISCHE ABSTRAHLLEISTUNG (ERP) Die akustische äquivalente Abstrahlleistung (ERP) ist definiert als: e_ERP=f_RLF∙1/2∙C∙ρ∙∑(A_i∙v_i^2 ) (1) wobei f_RLF der Strahlungsverlustfaktor, C die Schallgeschwindigkeit, ρ die Dichte des Gehäuses, das die Schwingung (d. h. das Geräusch) auf die Luft überträgt, A_i die Fläche auf der i-ten flexiblen Platte und v_i die Flächennormalgeschwindigkeit auf der i- www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/06 25

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