Schwingungsbeeinflussung geometrisch komplexer Strukturen mittels piezoelektrischer Flächenwandler am Beispiel des Getriebeheulens

Das vor allem im Automobilbereich bekannte Getriebeheulen ist ein tonales Störgeräusch, welches unter bestimmten Betriebsbedingungen durch die periodische Belastung der einzelnen Zähne der im Eingriff befindlichen Zahnräder angeregt wird. Die Folge sind resonante Gehäuseschwingungen, die als akustische Komfortbeeinträchtigung wahrgenommen werden. Bislang werden nur passive Maßnahmen eingesetzt, um diesem Problem zu begegnen. In der vorliegenden Arbeit werden passive und aktive Ansätze numerisch untersucht, um bei verschiedener Verwendung piezoelektrischer Flächenwandler eine Schwingungsminderung zu realisieren. Für die Simulation dieser Ansätze wird ein vom Getriebehersteller zur Verfügung gestelltes, räumlich hoch aufgelöstes Finite-Elemente-Modell verwendet. Dieses wird zunächst an die dynamischen Eigenschaften des realen Systems, die mittels einer experimentellen Modalanalyse identifizierten werden, abgeglichen. Anhand dieses Modells wird die für das Getriebeheulen verantwortliche Eigenform identifiziert und geeignete Aktorpositionen bestimmt, auf die im FE-Modell piezoelektrische Flächenwandler integriert werden. Das so entstandene elektromechanisch gekoppelte Gesamtsystem, bestehend aus Getriebe und Flächenwandler, wird reduziert und für zeiteffiziente Simulationen der verschiedenen Ansätze verwendet. Beim passiven Shunt-Damping werden dabei mehrere Flächenwandler jeweils mit einem Widerstand und einer Induktivität zu elektrischen Schwingkreisen kombiniert, die eine zu mechanischen Tilgern äquivalente Wirkung aufweisen. Über einen klassischen und einen neu entwickelten Ansatz zur Auslegung solcher Multi-Shunt-Systeme wird eine geringe Schwingungsamplitudenreduktion des Getriebgehäuses erreicht, wobei der neu entwickelte Ansatz dem klassischen überlegen ist. Für eine praktische Umsetzung sind die erreichbaren Reduktionen jedoch nicht ausreichend. Das Potential aktiver Ansätze wird über eine untersuchte optimale Störgrößenaufschaltung abgeschätzt. Hierauf aufbauend wird eine realitätsnahe Simulation unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften des Leistungsverstärkers und der digitalen Echtzeitdatenverarbeitung eines einzelnen über den FxLMS-Algorithmus angesteuerten Flächenwandlers durchgeführt. Mit dieser Methode werden bereits bei der Verwendung eines einzelnen Aktors deutliche Reduktionen erreicht. Die kombinierte Anwendung mehrerer über diesen Algorithmus angesteuerten Flächenwandler ermöglicht deutliche Amplitudenreduktionen, erfordern andererseits jedoch erheblichen Aufwand insbesondere hinsichtlich der benötigten Leistungsverstärker. Abschließend wird somit eine praktische Umsetzung dieses Ansatzes nur eingeschränkt empfohlen

Schwingungsbeeinflussung geometrisch komplexer Strukturen mittels piezoelektrischer Flächenwandler am Beispiel des Getriebeheulens

Das vor allem im Automobilbereich bekannte Getriebeheulen ist ein tonales Störgeräusch, welches unter bestimmten Betriebsbedingungen durch die periodische Belastung der einzelnen Zähne der im Eingriff befindlichen Zahnräder angeregt wird. Die Folge sind resonante Gehäuseschwingungen, die als akustische Komfortbeeinträchtigung wahrgenommen werden. Bislang werden nur passive Maßnahmen eingesetzt, um diesem Problem zu begegnen. In der vorliegenden Arbeit werden passive und aktive Ansätze numerisch untersucht, um bei verschiedener Verwendung piezoelektrischer Flächenwandler eine Schwingungsminderung zu realisieren. Für die Simulation dieser Ansätze wird ein vom Getriebehersteller zur Verfügung gestelltes, räumlich hoch aufgelöstes Finite-Elemente-Modell verwendet. Dieses wird zunächst an die dynamischen Eigenschaften des realen Systems, die mittels einer experimentellen Modalanalyse identifizierten werden, abgeglichen. Anhand dieses Modells wird die für das Getriebeheulen verantwortliche Eigenform identifiziert und geeignete Aktorpositionen bestimmt, auf die im FE-Modell piezoelektrische Flächenwandler integriert werden. Das so entstandene elektromechanisch gekoppelte Gesamtsystem, bestehend aus Getriebe und Flächenwandler, wird reduziert und für zeiteffiziente Simulationen der verschiedenen Ansätze verwendet. Beim passiven Shunt-Damping werden dabei mehrere Flächenwandler jeweils mit einem Widerstand und einer Induktivität zu elektrischen Schwingkreisen kombiniert, die eine zu mechanischen Tilgern äquivalente Wirkung aufweisen. Über einen klassischen und einen neu entwickelten Ansatz zur Auslegung solcher Multi-Shunt-Systeme wird eine geringe Schwingungsamplitudenreduktion des Getriebgehäuses erreicht, wobei der neu entwickelte Ansatz dem klassischen überlegen ist. Für eine praktische Umsetzung sind die erreichbaren Reduktionen jedoch nicht ausreichend. Das Potential aktiver Ansätze wird über eine untersuchte optimale Störgrößenaufschaltung abgeschätzt. Hierauf aufbauend wird eine realitätsnahe Simulation unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften des Leistungsverstärkers und der digitalen Echtzeitdatenverarbeitung eines einzelnen über den FxLMS-Algorithmus angesteuerten Flächenwandlers durchgeführt. Mit dieser Methode werden bereits bei der Verwendung eines einzelnen Aktors deutliche Reduktionen erreicht. Die kombinierte Anwendung mehrerer über diesen Algorithmus angesteuerten Flächenwandler ermöglicht deutliche Amplitudenreduktionen, erfordern andererseits jedoch erheblichen Aufwand insbesondere hinsichtlich der benötigten Leistungsverstärker. Abschließend wird somit eine praktische Umsetzung dieses Ansatzes nur eingeschränkt empfohlen