ENTWICKLUNG Antriebsstrang

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Eine akustisch optimierte Gestaltung von Getriebegehäusen kann kosten- undgewichtsneutral erzielt werden, wenn die Konstruktion frühzeitig von der Simu-lation begleitet wird. Am Beispiel eines CVT-Getriebes zeigt dieser Beitrag derP+Z Engineering, welche Entwicklungs- und Simulationsmethodik hierfür not-wendig ist.

Reduzierung derSchallabstrahlungdurch Einsatz von Simulation bei der Konstruktion vonGetriebegehäusen

Optimierung der Funktion, des Zusammen-baus, der Gehäuse-Gießbarkeit sowie mitder Reduzierung von Kosten und Gewicht.

Für Messungen auf dem Akustikprüf-stand steht im Laufe dieses Zeitabschnittsder erste funktionsfähige Getriebeverbundzur Verfügung. Meist entspricht dessen De-sign aber nicht dem momentanen Kon-struktionsstand. Damit können die Ver-suchsergebnisse nicht auf alle aktuellenFragen der Konstruktion Antworten geben.

Den Versuchsergebnissen kommt abergerade in diesem Stadium besondere Be-deutung zu: „Eine Grundvoraussetzung fürbelastbare Ergebnisse von Simulations-rechnungen ist, dass die entscheidendenphysikalischen Vorgänge qualitativ richtigabgebildet werden.“ [2] Die zu diesem Zeit-punkt mögliche Kalibrierung des Modellsanhand von Messungen schafft für alleweiteren Simulationen eine solide Aus-gangsbasis.

So kann nach der erfolgreichen Validie-rung des CAE-Modells nun eine quantitati-ve Bewertung von Designvarianten durchdie Simulation erfolgen. Nun kann die Si-mulation einen wesentlichen Vorteil aus-spielen: Unterschiedlichste Maßnahmenkönnen sehr effizient bewertet und alleVerbesserungspotenziale noch vor Freigabedes Druckguss-Designs ausgeschöpft wer-den. Neben Formveränderungen ist in derSimulation zum Beispiel auch die Variationvon Wandstärken sowie Materialien pro-blemlos möglich.

Nach Fixierung des Druckguss-Designsdienen die fortlaufenden entwicklungsbe-gleitenden Aktivitäten von Simulation undVersuch zur Bewertung von Detailverbes-

serungen, die aber in ihrer Wirkung hinterden Möglichkeiten der Änderung in den er-sten Phasen zurückbleiben.

Gegen Ende des Entwicklungsprozesseswird das NV-Verhalten für das endgültigeSeriendesign mittels CAE vorhergesagt,und die Erkenntnisse über Abstrahlrich-tung und Schallpegel können fahrzeugsei-tig zur gezielten Entwicklung von zusätz-lichen Dämmmaßnahmen oder Kapselun-gen genutzt werden.

3 Ablauf der Simulation

Zu Beginn steht die FE- (Finite Elemente)Modellerstellung des Getriebeverbundes.Neben dem Getriebegehäuse müssen alleInnenbauteile (Lager, Wellen und Verzah-nungen) sorgfältig abgebildet werden,

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Dipl.-Ing. GiselaQuintenz ist verant-wortlich für die Be-rechnung im BereichAntrieb bei der P+ZEngineering GmbH,München.

Dr. Thomas Schneiderist Leiter des Fachbe-reichs Lineare/Nicht-lineare Analysen undMethodenentwicklungbei der P+Z Enginee-ring GmbH, München.

Die Autoren1 Motivation

Nach Willi Geib, BMW AG, ist „der heute er-reichte hohe akustische Stand der Fahrzeu-ge mit einem Gewichtsanteil von zirka100 bis 200 kg im Gesamtfahrzeug verbun-den“ [1]. Um diese Gewichtsaufwände fürzum Beispiel Dämmmaßnahmen oder Kap-selungen zu verringern, ist es eine dringen-de Aufgabe, die Schallabstrahlung von Mo-tor-Getriebe-Verbund und weiteren ange-schlossenen Aggregaten zu minimieren.

Dies ist am erfolgreichsten in den frü-hen Entwicklungsphasen durchführbar, dahier noch grundlegende Änderungen derGeometrie möglich sind.

Im Idealfall ist diese Optimierung kos-ten- und gewichtsneutral.

Im Rahmen der Entwicklung eines CVT-Getriebes mit Laschenkette, wie zum Bei-spiel der Audi-Multitronic, wurde bei P+ZEngineering eine Simulationsmethodikentwickelt, die es ermöglicht, bereits in frü-hen Konstruktions-Stadien das akustischeAbstrahlverhalten des Getriebegehäuses zubewerten.

Die besondere Situation bei CVT-Getrie-ben mit Kette ist eine breitbandige Anre-gung, die zu vielfältigen Gehäuseresonan-zen führen kann. Die Reduzierung derSchallemissionen steht damit neben Festig-keit und Lebensdauer im Mittelpunkt derAuslegung eines CVT-Gehäuses.

Der Simulationsprozess wurde erfolg-reich in Projekten zur Optimierung der Ab-strahlakustik von CVT-Getrieben angewen-det, und wird im Folgenden an einem Bei-spielgetriebe prinziphaft dargestellt.

2 Vernetzung von Konstruktion,Simulation und Versuch im Entwicklungsprozess

In Bild 1 ist vereinfacht ein Getriebe-Ent-wicklungsprozess dargestellt:

In der Vorentwicklungsphase kannmittels Simulation die NV- (Noise/Vibra-tion) Performance verschiedener Konzeptevergleichend bewertet werden.

In der Phase der ersten Prototyp-Ent-wicklung können nur mittels Simulationfrühzeitig Strukturschwächen und Reso-nanzmechanismen aufgedeckt werden, dafür den Versuch noch keine Bauteile vorlie-gen. Umfassende Formänderungen wiezum Beispiel die Änderung der Gehäusetei-lung, die Verlegung von Haupt- undNebenflanschen, die Anordnung der Lager-stellen und die Gestaltung von Lagerträ-gern sind meist nur in diesem Stadiummöglich.

Die Phase der zweiten Prototyp-Ent-wicklung dient bereits zur Verfeinerungund beschäftigt sich unter anderem mit der

Bild 1: Getriebe-Entwicklungsprozess (schematisch)Figure 1: Transmission development process

2 Vernetzung von Konstruktion, Simulation undVersuch im Entwicklungsprozess

Bild 2. Ebenfalls wichtig sind eine korrekteMassenbilanz, die Verwendung einer vali-dierten Flanschabbildung, die Berücksich-tigung der Motorsteifigkeit (falls dort an-geflanscht wird) und die Wahl von sinn-vollen Dämpfungswerten.

In der nun folgenden ersten Dynamik-analyse werden die charakteristischen Ei-genfrequenzen des Verbundes berechnet.

Der nächste Schritt ist die Ermittlung derBetriebsschwingungen. Dafür müssen kri-tische Betriebszustände definiert und einegeeignete Anregung gewählt werden. Bild2 zeigt gemessene Beschleunigungen anvier Wellenlagern, die zum Beispiel alsbreitbandige CVT-Anregung verwendetwurden. Nach der Festlegung der Anre-gung werden die Schwingungsantwortenberechnet. Der relevante Frequenzbereicherstreckt sich zum Beispiel von 0 bis 3,5 kHz.Das Ergebnis dieser Analysen ist eine Viel-zahl von Betriebsschwingungen, entspre-chend der gewählten Frequenz-Schrittwei-te etwa alle 1-10 Hz.

Der von der schwingenden Oberflächeerzeugte Luft-Schalldruck wird in den an-schließenden Akustikberechnungen er-mittelt. Die Schalldrücke werden üblicher-weise an mit dem Versuch korreliertenMikrofonpositionen oder für Punkte auf ei-ner Iso-Halbkugel in 1 m Abstand vom Ob-jekt ausgegeben. Besonders interessant fürdie Optimierung ist die Visualisierung derSchallentstehungsorte an der Getriebeober-fläche, Bild 2.

4 Optimierungsprozess

Es gilt nun, anhand von Campbell-Dia-grammen oder gemittelten Summenkur-ven die kritischen Schwingungsantwortenherauszufiltern. Durch animierte Darstel-lung dieser Schwingungen werden die zu-grunde liegenden Resonanzphänomene vi-sualisiert und Lösungsansätze zur ihrerVermeidung entwickelt.

Die Betriebsschwingformen eines Ge-triebeverbundes bestehen aus Gehäuse-,Wellen- und Lagerschwingungen. Häufigergeben sich auf der Gehäuseoberflächeakustisch sensible Membranschwingungs-Bereiche. Sofern diese bereits in der Kon-zeptphase erkannt werden, können sie zumBeispiel durch die gezielte Platzierung derGehäuseteilungen vermieden werden.Auch die Anordnung der Wellenlager, derVerlauf von Nebenflanschen und die Posi-tionierung von Anbauteilen sollte mög-lichst frühzeitig auf Resonanzen unter-sucht werden.

Da in der Anfangsphase die Möglichkei-ten zur Optimierung sehr vielfältig sind,gleichzeitig aber auch zahlreiche Randbe-dingungen eingehalten werden müssen, ist

der Erfolg abhängig von der Erfahrung undder Kooperationsintensität zwischen Be-rechnung und Konstruktion. Die Verwen-dung automatischer Optimierungstools zurTopographie/Topologieoptimierung, dieauch zur Designfindung hinsichtlich Festig-keit und Steifigkeit eingesetzt werden,scheinen derzeit akustisch erst verwendbarfür das Design-Feintuning, also zum Bei-spiel Optimierung von Wandstärken oderRippenverläufen.

Abhängig von der Anregung mussgrundsätzlich zwischen zwei Optimie-rungszielen unterschieden werden:

Bei einer Anregung mit exponierten Peaks im Frequenzspektrum – zum BeispielZahneingriff – ist es wichtig, die Schwing-frequenz der sensiblen Bereiche zum Bei-spiel durch Versteifung so zu verändern,dass sie außerhalb eines eng begrenztenFrequenzfensters liegt.

Bei einer breitbandigen Anregung – zumBeispiel CVT-Kette – darf innerhalb einesweiten Frequenzbereiches ein Pegelgrenz-wert nicht überschritten werden. Da es un-möglich ist, alle anregbaren Eigenmodenaußerhalb des zu betrachtenden Frequenz-bereiches (zum Beispiel 0-4 kHz) zu ver-schieben, müssen die Pegel hier aktiv redu-ziert werden.

5 Beispiele verschiedener Maßnahmen und ihrer Wirkungsweise

5.1 Schwingungsantwort eines GehäusedeckelsIn Bild 3 wird die Schwingungsantwort ei-nes Gehäuse-Ventildeckels (3 mm, Alumi-

nium) gezeigt, der senkrecht zur Deckflächestoßförmig angeregt wird. Der entstehendeSchalldruck wird hier zum Beispiel auf ei-ner Iso-Halbkugel in 1 m Abstand an 19Mikrofonpositionen berechnet. Bei 700 Hzist die erste Deckelresonanz zu erkennen,der eine Schwingung erster Ordnung zu-grunde liegt. Später treten höhere Ordnun-gen auf, und es finden Überlagerungen mitSchwingungen der Seitenflächen statt. ImGetriebeverbund zeigen sich derartigeMembranschwingungen insbesondere aufnicht-ölgefüllten Deckeln und auf unver-rippten dünnwandigen Gehäusebereichen.Ähnlich schwingen hohe Rippen, wenn sieseitliche Auslenkungen erfahren.

Bild 4 zeigt das NV-Verhalten von unter-schiedlichen Deckelvarianten:

Der höchste Schallpegel wird hier verur-sacht von der Schwingungsresonanz ersterOrdnung. Durch Versteifungsmaßnahmenwie Sicken oder Rippen kann diese Reso-nanz zu höheren Frequenzen verschobenwerden.

So liegen die Resonanzen der Deckel-Baustufe 1 und der längsverrippten Varian-te bei 950 beziehungsweise 900 Hz, also et-wa 200 Hz höher. Der abgestrahlte Schall-pegel verringert sich jedoch damit nichtnotwendigerweise, denn die Auslenkun-gen werden zwar reduziert, aber durch dieVersteifung vergrößert sich auch die Teil-fläche, die den Schalldruck erzeugt.

Besser wirkt in diesem Fall ein Stützge-wölbe (rote Kurve). Hier verschieben sichtrotz unverändertem Material/Wandstärkedie Resonanzfrequenzen in beträchtlich hö-here Frequenzbereiche bei gleichzeitigerReduzierung der Pegel. Zu prüfen ist für die-

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3 Ablauf der Simulation

Bild 2: CAE-VorgehensweiseFigure 2: CAE procedure

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ses Design allerdings, ob genügend Bau-raum vorhanden ist. Bei der Umsetzungdieser Maßnahme auf der Oberfläche desGetriebegehäuses ergibt sich zusätzlichnoch die Problematik der Entformung.

Eine breitbandige Pegelabsenkung kannnatürlich auch durch Aufbringen einesDämpfungsbelages erreicht werden. Diesist jedoch meist nicht erwünscht, denn dieNachteile sind höherer Fertigungsauf-

wand, höhere Kosten und geringere Wär-meabfuhr.

5.2 Wechselwirkungen im Getriebeverbund am Beispiel eines LagerschildsBild 5 zeigt die Wechselwirkung von eineminneren Lagerschild mit der Gehäuseober-fläche bei Verzahnungsanregung. Die linksabgebildete Massivbauweise des Lager-

schildes verhindert zwar Eigenresonanzenauf dem Bauteil selbst, aber aufgrund einerlokalen Strukturschwäche im Gehäuse bil-det sich bei 2,1 kHz eine starke Pegelüberhö-hung durch eine Resonanz mit der Gehäu-seoberfläche aus. Mit dem Ziel, diese Reso-nanz zu verhindern, wurden zwei Varian-ten des Lagerschildes konzipiert und be-wertet. Bei Variante 1 „light“ wurden Bau-teilgewicht und -steifigkeit verringert. Die

5.1 Schwingungsantwort eines Gehäusedeckels

Bild 3: Schwingungs-antworten einesVentildeckelsFigure 3: Responsevibrations of a valve cover

Bild 4: NV-Verhalten von DeckelvariantenFigure 4: Acoustic results for designchanges of a valvecover

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Folge ist in erster Linie eine Verlagerungder Schwingungsrichtung in andere Ge-häusebereiche bei geringfügiger Pegelredu-zierung. Variante 2 wurde zweiteilig gestal-tet, bei leichter Veränderung der An-schraubpunkte. Hier erfolgt eine vollstän-dige Schwingungsentkopplung mit deut-licher Pegelreduzierung.

5.3 Bewertung von Einzelmaßnahmen am GetriebegehäuseIn Bild 6 sind verschiedene Maßnahmenund deren Wirkungsweise am Getriebege-häuse dargestellt.

Die in der ersten Reihe gezeigte Mem-branschwingung bei 1300 Hz soll durchLängsrippen behindert werden. Dies ge-lingt zwar, aber die Rippen erfahren da-raufhin starke seitliche Auslenkungen, sodass der Pegel sogar um 3 dB ansteigt. Die-ses Beispiel zeigt deutlich, dass die Verwen-dung von Rippen zur Reduzierung derSchallabstrahlung einer sorgfältigen Prü-fung ihrer akustischen Wirkungsweise be-darf.

Bei einer Frequenz von 1600 Hz ist einedeutliche Aktivität des Flansches zu erken-nen. Durch einen geänderten Krümmungs-verlauf des Flansches verringert sich der Pe-gel im Beispiel um 6 dB. Wenn die Betrach-tung eines weiten Frequenzbereiches erfor-derlich ist, muss jedoch immer geprüft wer-den, ob bei anderen Frequenzen neue Reso-nanzen entstehen und die Maßnahmeeventuell nur in Kombination mit anderenverwendet werden kann.

Bei 1940 Hz entsteht der Schalldruckdurch Auslenkung der Deckelfläche. Der 6-8 mm dicke Deckelflansch verbindet alssteife Einheit die beiden vorderen CVT-Wel-lenlager und gibt deren Anregung verstärktdurch die gesamte Deckelfläche an die Luftweiter. Hier wird durch eine umfassendestrukturelle Umgestaltung der Aggregatan-bindung (Drehung der Deckelposition) einebeträchtliche Pegelabsenkung um 8 dB er-reicht.

Das unterste Beispiel zeigt an unverripp-ten Gehäuse-Teilflächen lokale Schwingun-gen bei 2100 Hz. Diese können effektiververstimmt werden (-3 dB) durch eine Längs-profilierung anstelle der üblicherweise ver-wendeten Längsrippen.

5.4 Optimierungsergebnisdurch Kombination von EinzelmaßnahmenHäufig reduzieren einzelne Optimierungs-maßnahmen zwar die Schalldruck-Pegelfür die jeweils betrachtete Betriebsschwin-gung, verursachen aber in anderen Fre-quenzbereichen eine Pegelerhöhung, Bild7. Bei einer breitbandigen Anregung muss

5.2 Wechselwirkungen im Getriebeverbund am Beispiel eines Lagerschilds

5.3 Bewertung von Einzelmaßnahmen am Getriebegehäuse

Bild 5: Wechselwirkung mit internen BauteilenFigure 5: Interactions with internal parts

Bild 6: Einzelwirkung von Optimierungsmaßnahmen am GetriebegehäuseFigure 6: Acoustic effect of single counter measures on the gearbox housing

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daher die Wirkung über den gesamten rele-vanten Frequenzbereich verifiziert werden.Um alle durch Resonanz verursachte Pegel-überhöhungen zu verringern, müssen ver-schiedene Verbesserungsmaßnahmenkombiniert und das Verhalten des kombi-nierten Designs über den gesamten Fre-quenzbereich untersucht werden.

Bild 7 unten zeigt das Ergebnis einerKombination von mehreren gehäuseseiti-gen Änderungen, die alle kosten- und ge-wichtsneutral konzipiert werden konnten.Im Frequenzbereich bis 1,2 kHz wurde keineVerbesserung erzielt, da die Optimierungnicht auf die Reduzierung der hier vorlie-genden niedrigen Pegel ausgerichtet war.Optimierungsziel war in erster Linie dieVerringerung der Schallpegel an den Peak-frequenzen. Diese konnten um bis zu 10 dBgesenkt werden, was einer Halbierung derLautstärke entspricht. In den weniger kriti-schen Frequenzbereichen beträgt die Redu-zierung etwa 3 dB.

Bei der Entwicklung des optimierten De-signs wurde besonderer Wert darauf ge-legt, den Schallentstehungsort und denSchallübertragungsweg an die Gehäuse-oberfläche zu ermitteln. Die größten Ver-besserungen konnten durch gezielte Ent-kopplung der schwingungsbeteiligten Bau-gruppen erzielt werden. So wurden zumBeispiel die Positionen der Wellenlagerleicht verändert und die Lagerträgeranbin-dung deutlich umgestaltet. Zur Verhinde-rung von Membranschwingungen der Ge-häuseoberfläche wurden Profilierungenund Flanschveränderungen vorgenom-men. Der Einsatz von versteifenden Rippenwar hier für akustische Zwecke nicht erfor-derlich; er ist aber häufig zur Einhaltungstatischer Zielwerte notwendig. Durch Re-duzierung und Umverteilung der Wand-stärken konnte bei gleich bleibender NV-Performance schließlich sogar das Gehäu-segewicht um 7 % reduziert werden.

6 Zusammenfassung

Eine akustisch optimierte Gestaltung vonGetriebegehäusen kann kosten- und ge-wichtsneutral erzielt werden, wenn dieKonstruktion frühzeitig von der Simulationbegleitet wird.

Ein sorgfältig aufgebautes Simulations-modell ermöglicht die Visualisierung derinternen Wechselwirkungen und der Ent-stehungsmechanismen von Resonanzen. Esliefert damit die notwendigen Informatio-nen zur akustischen Optimierung.

Entscheidend für den Optimierungser-folg ist die enge Zusammenarbeit von Be-rechnung, Konstruktion und Versuch. Diesgewährleistet eine realitätsnahe Gestal-tung des Simulationsmodells und ermög-licht die Ausarbeitung sinnvoller undmachbarer Verbesserungen.

Wurde im Entwicklungsprozess eine Va-lidierung mit Versuchsergebnissen durch-geführt, kann die Simulation das NV-Ver-

5.4 Optimierungsergebnis durch Kombination von Einzelmaßnahmen

Bild 7: Reduzierungder Schallabstrahlungdurch Maßnahmen-kombinationFigure 7: Reduction of noise radiationthrough combinedcounter measures

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halten zukünftiger Baustufen quantitativbewerten.

7 Ausblick

Die Aussage, „die Berechnung über ei-nen weiten Frequenzbereich in kleinen Fre-quenzschritten ist teuer und zeitaufwän-dig“ [3], ist heute nicht mehr gültig.

Durch die Entwicklung schnellerer Be-rechnungsmethoden und Möglichkeitenzur Parallelnutzung mehrerer CPUs ist dieAkustiksimulation heute sehr effizient ein-setzbar. Auch für die Problemstellung breit-bandiger Anregungen stehen damit Toolsund Möglichkeiten zur Optimierung zurVerfügung. Die steigenden Anforderungenan den Fahrkomfort werden die Einbin-dung der Akustiksimulation in den Fahr-zeugentwicklungsprozess gerade in denfrühen Entwicklungsphasen erfordern.

Literaturhinweise

[1] Geib, W.: Fahrzeugschwingungen und Akus-tik: Einführung und Überblick. HdT-Fachbuch,Band 22, 2003

[2] Gold, P.; Schelenz, R.; Fechler, J.; Pischinger,S.; Pilath, C.; Steffens, C.; Platen, S.: Akusti-sche Untersuchungen im Gesamtsystem Ver-brennungsmotor-Getriebe. In: MTZ 64 (2003)Nr. 12, S. 1072-1078

[3] Katzenschwanz, C.; Dirschmid, F.; Hanigk, M.:Industrial Applications of ComputationalAcoustics – Chances and Limits. NAFEMS-Se-minar “Computational Acoustics”, November1999

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