DE102015201873A1

DE102015201873A1 - Leises Zahnrad

Info

Publication number: DE102015201873A1
Application number: DE102015201873.3A
Authority: DE
Inventors: Björn Leupold; Simon Höges; Schneider Markus; Thomas Schupp; Vitali Janzen; Gerd Kotthoff; Eberhard Ernst
Original assignee: GKN Sinter Metals Engineering GmbH
Current assignee: GKN Powder Metallurgy Engineering GmbH
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-08-18
Also published as: US20180017150A1; CN107407394A; WO2016124514A1; EP3253998A1; EP3253998B1; US10890241B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnrad, aufweisend zumindest ein gesintertes Material mit einer Porosität, wobei das Zahnrad neben der Porosität ein weiteres Schallminderungsmittel aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnrad, welches zumindest ein gesintertes Material mit einer Porosität aufweist, wobei das Zahnrad neben der Porosität ein weiteres Schallminderungsmittel aufweist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Zahnrads vorgeschlagen.
Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung im Antriebsstrang von Fahrzeugen ist das Geräuschverhalten vom Getriebe von steigender Bedeutung, wenn das Gesamtgeräuschverhalten eines Fahrzeugs zu untersuchen ist. In der Literatur werden die Geräuschreduktionsmaßnahmen in primäre und sekundäre, also aktive und passive Maßnahmen unterschieden. Bei den aktiven Maßnahmen wird direkt der Anregungsmechanismus verändert, also zum Beispiel die Mikrogeometrie der Verzahnung. Auf der anderen Seite wird bei den passiven Maßnahmen die Schallweiterleitung dahingehend verändert das der Körperschall sich vermindert ausbreiten kann.
Möglichkeiten von passiven Maßnahmen werden zum Beispiel in einer Dissertation von Dietmar Mandt mit dem Titel "Eigenschaften und Einsatzverhalten von leichten und dämpfenden Werkstoffverbund-Zahnrädern" ISBN 978-3-8322-5209-0, WZL, RWTH Aachen, Berichte aus der Produktionstechnik Band 14/2006, oder in der Patentschrift DE 955 467 aus dem Jahr 1957 ausführlich beschrieben. Hierbei handelt es sich häufig um sogenannte Werkstoffverbundzahnräder die aus mehreren, gefügten Einzelbauteilen mit unterschiedlichen Materialien bestehen. Diese bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass die nötige Kraftübertragung nur bedingt realisierbar ist. Des Weiteren müssen die Halbzeuge teilweise mit hohem Aufwand hergestellt und anschließend gefügt werden. Die Kraftübertragung kann zwar dadurch verbessert werden, dass die Einzelbauteile formschlussoptimiert gestaltet werden, allerdings vergrößert sich dadurch der Herstellaufwand. Des Weiteren ist aus der DE 198 15 860 A1 bekannt, dass eine Variation der Dichte im Radkörper bei einem Hohlrad sich positiv auf das Geräuschverhalten auswirkt. Aus der EP 1 552 895 B1 geht wiederum ein gesintertes Zahnrad hervor, bei dem zum Zwecke der Geräuschminderung unterschiedlichen Dichten entlang eines Zahnrad-Radius angeordnet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Radkörper eines Zahnrades zu verändern, um den Geräuschpegel im Betrieb des Zahnrads, insbesondere in einem Getriebe zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird mit einem Zahnrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die Formulierung der Erfindung durch die unabhängigen Ansprüche stellt einen ersten Entwurf da, der die Erfindung aber nicht beschränken soll sondern nur als erster Formulierungsversuch zu verstehen ist. Daher können ein oder mehrere Merkmale durch ein oder mehrere, andere Merkmale ersetzt werden oder auch gestrichen werden. Vorteilhafte Weiterbildungen gehen aus den nachfolgenden Unteransprüchen, aus der Beschreibung wie auch aus den Figuren hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus ein oder mehreren Weiterbildungen können auch jeweils für sich zusammen neue, von der Offenbarung umfasste Weiterbildungen ergeben, ohne dass diese alle explizit aufgeführt sind.
Es wird ein Zahnrad vorgeschlagen, welches zumindest ein gesintertes Material mit einer Porosität aufweist, wobei das Zahnrad neben der Porosität ein weiteres Schallminderungsmittel aufweist.
Es hat sich herausgestellt, dass durch eine Variation der Dichte im Radkörper des Zahnrads der Übertragungspfad der Körperschallwellen von der Erzeugung am Zahnkranz zur Nabe unterbrochen bzw. die Schallwellen so gebrochen oder reflektiert werden können, das das Körperschallsignal am Ausgang, nämlich der Welle/Bohrung des Zahnrads, deutlich geringer ausfällt.
Die Variationen der Dichte können dabei rotationssymmetrisch oder lokal ausgeführt werden.
Ebenso möglich ist ein Zahnrad in Scheibenanordnung mit unterschiedlich ausgeführten Dichten. Der Winkel der Ebene der einzelnen Schichten kann dabei von der Vorzugsebene, der horizontalen Ebene des Bauteils abweichen.
Da sich der Körperschall in Materialien mit höherer Dichte besser ausbreitet als in Materialien mit geringerer Dichte ist es auch möglich, Schallführungskanäle in den Radkörper oder die Verzahnung einzubringen, die die Körperschallwellen gezielt umlenken oder abschwächen. Dabei können die Kanäle und/oder lokalen Dichtevariationen sowohl mit reinem Material unterschiedlicher Dichte ausgefüllt werden als auch mit Kombinationen aus verschiedenen Materialien wie Eisenpulver oder auch Öl.
Diese schallmindernden Geometrien können mit unterschiedlichen Herstellverfahren realisiert werden. Hierzu gehören zum Beispiel ein intelligenter Füllschuh,, insbesondere ein rotatorisch sich drehender Füllschuh zur Befüllung mit zumindest zwei unterschiedlichen Materialien, so wie es zum Beispiel aus der DE 10 2014 006 374 hervorgeht, auf die im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich verwiesen wird. Dadurch können zum Beispiel Dichtevariationen bereits beim Pressvorgang hergestellt werden, das auch als Grün in Grün bezeichnete Herstellungsverfahren, wie es aus der DE 10 2009 042 598 hervorgeht, auf die im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich verwiesen wird, oder Verfahren (Quelle?), das konventionelle Pressen wie es auch in abgewandelter Form aus der WO 2013/067995 A1 hervorgeht und auf die im Rahmen der Offenbarung verwiesen wird, sowie eine additive Fertigung, zum Beispiel mit einer Vorrichtung, wie sie aus der DE 10 2013 103 006 A1 beispielhaft hervorgeht. Es können aber auch Herstellungsverfahren eingesetzt werden, wie sie grundsätzlich aus der EP 2 221 131 A1 , der EP 1 407 877 A1 , der EP 1 34527 A2 oder auch der JP S60-162 702 A hervorgehen.
Eine zweite Möglichkeit den Übertragungspfad geräuschmindernd zu optimieren, besteht darin den Radkörper, topologieoptimiert zu gestalten, zum Beispiel eine Stegform zunutzen. Einzelnen Streben können mit einer dämpfenden Beschichtung versehen sein, die das Schwingungsverhalten der Streben verbessert. Hierfür kann ebenfalls eine additive Fertigung genutzt werden, um topologieoptimierte Strukturen zu realisieren.
Als dritte Möglichkeit kann man das Einbringen mehrerer geschlossenen „Feder-Masse-Zellen“ in den Radkörper sehen. Dabei arbeitet eine „Feder-Masse-Zelle“ als ein Tilger für ein bestimmtes Frequenzband. Die „Zelle“ kann mit verschiedenen Medien ausgefüllt sein. Durch gezielte Auslegung der „Feder-Masse-Systeme“ kann so eine Art „Stopband-Filter“ in den Radkörper eingebaut werden. Zur Realisierung solcher Strukturen kann zum Beispiel eine additive Fertigung genutzt werden.
Bevorzugt wird am Zahnrad vorgesehen, dass eine schalltechnische Entkopplung von einem Zahnkranz des Zahnrads und einer Nabe einhergehend mit einer Brechung der Schallwellen durch eine Variation der Dichte im Radkörper erzeugt ist, die einen Übertragungspfad der Körperschallwellen von der Erzeugung am Zahnkranz zur Nabe unterbricht und/oder Schallwellen so bricht oder reflektiert, dass ein Körperschallsignal an einem Ausgang in Form einer Welle des Zahnrads oder einer Bohrung des Zahnrads geringer ausfällt.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass eine radiale Variation einer Dichte in einem Radkörper des Zahnrads vorliegt.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass durch Kammern, die in einem Radkörper des Zahnrads eingebracht sind, ein Körperschall gebrochen, absorbiert und/oder reflektiert wird. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Kammern leer und/oder mit einem Medium gefüllt sein, vorzugsweise einem Öl und/oder einem losen Pulver.
Auch können in dem zu sinternden Pulver Hohlkugeln angeordnet werden, wie sie zum Beispiel aus metallischem Material herstellbar sind und mitversintert werden können. Beispielsweise kann dazu ein verfahren genutzt werden, wie es aus Waag, U; Schneider, L; Lötmann, P Stephani, G; "Metallic hollow sphere material for the future", Metal Powder, oder aus Stephani, G; Waag, U; "Superleichte metallische Hohlkugelstrukturen", Tagungsband BMBF-WING Konferenz 2003, S. 172–181 hervorgehen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass zur Schallminderung das Zahnrad zur Brechung, Absorbtion und/oder Reflexion von Schallwellen gefüllte / nicht gefüllte Kammern aufweist. So kann zum Beispiel durch eine Kombination von unterschiedlichen Dichten und/oder Materialien zum Beispiel in radialer Richtung in Form von Scheiben das Gesamtsystem schwingungsärmer gestaltet werden, ohne dabei Einbußen bei der Tragfähigkeit zu haben. Ein Winkel der Ebene der einzelnen Schichten kann dabei von einer Vorzugsebene des Zahnrads, die insbesondere horizontal angeordnet ist, abweichen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine axiale Dichtevariation vorgesehen ist. Dazu können sich Mäander durch das Zahnrad in axialer Richtung erstrecken. Auch andere Formen sind möglich.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Zahnrad einen scheibenförmigen Aufbau unterschiedlicher Dichten hat. So können Scheiben hoher Dichten eine Scheibe geringer Dichte einrahmen. Auch umgekehrt besteht die Möglichkeit, dass Scheiben niedriger Dichte Scheiben hoher Dichte einrahmen. Die Scheiben können zusammen verpresst werden oder auch jeweils einzeln vorverpresst sein.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass im Zahnrad ein Schallkanal als Schallleitung im Zahnrad verläuft, entlang der ein Körperschall geführt wird. Hierzu können zum Beispiel ein oder mehrere, gezielt eingebrachte Führungskanäle als Schallleitungen einen Körperschall daran hindern, direkt zu einem Ausgang in Form einer Welle oder Bohrung des Zahnrads zu gelangen. Es besteht zum Beispiel die Möglichkeit, dass ein Material mit einer höheren Dichte einen Schallkanal bildet und damit eine Schallleitung innerhalb des Zahnrads ermöglicht. Eine Ausgestaltung sieht zum Beispiel vor, dass ein Schallkanal mit einem, zur Umgebung des Schallkanals gleichen Materials mit geringerer Porösität gefüllt ist. Auch ist es bevorzugt, wenn eine Schallleitung rotationssymmetrisch ausgeführt ist, insbesondere um eine Drehachse des Zahnrads herum. Die Schallleitung kann unterbrochen wie auch durchgängig sein.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Zahnrad eine schwingungsdämpfende Beschichtung aufweist. Weiterhin ist beispielsweise vorgesehen, dass das Zahnrad eine Verstrebung aufweist, wobei Streben der Verstrebung bevorzugt schwingungsdämpfend beschichtet sind.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein oder mehrere asymmetrische Geometrien im Zahnrad vorliegen, die eine Eigenfrequenz des Zahnrads beeinflussen. Neben der Beeinflussung der Steifigkeit des Zahnrads kann auch die Massenträgheit beeinflusst werden. Dadurch kann zum Beispiel vermieden werden, dass ein Durchfahren eines Drehzahlbereichs zu einem Durchfahren einer Eigenfrequenz und Erzeugung von Resonanzeffekten führt.
Bevorzugt wird bei der Geräuschminderung aber nicht nur die Verminderung des Körperschalls im und am Zahnrad betrachtet. Vielmehr geht dieses einher mit der Frage der Erzeugung von Körperschall durch fertigungsbedingte Gegebenheiten. Es hat sich herausgestellt, dass ein Zusammenwirken im Bereich der fertigungstechnischen Parameter mit schallmindernden Mitteln zusammen am besten geeignet sind, geräuschgedämmte Zahnräder insbesondere für Getriebe zur Verfügung zu stellen. Daher wird auch ein Zahnrad wie oben bevorzugt, bei dem das Zahnrad eine Qualitätsgüte des ausgelegten Zahnrads gemäß DIN 3961 und DIN 3962 bezüglich zumindest eines Parameters, vorzugsweise eines totalen Profilfehlers F_a, eines Profilwinkelfehlers f_Ha und eines Profilformfehlers f_a, von zumindest der Güte 5 oder besser aufweist. Dieses gilt insbesondere für Stirnradzahnräder-. Für Kegelräder wird die für die Güte die ISO 17485 herangezogen.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung, der abhängig wie auch unabhängig von dem obigen Gedanken weiterverfolgt werden kann, wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads aufweisend die folgenden Schritte vorgeschlagen:

– Auslegung eines gesinterten Zahnrads anhand vorgebbarer Geometrie- und Lastdaten,
– Simulation einer Lastberechnung und einer Geräuschvorhersage des ausgelegten Zahnrads,
– Auswahl von zumindest einem Schallminderungsmittel wie oben bzw. nachfolgend beschrieben,
– Überprüfung einer Lastberechnung und einer Geräuschvorhersage,
– gegebenenfalls Anpassung des Zahnrads und Wiederholung von zumindest einer Überprüfung der Geräuschvorhersage bzw. der Lastberechnung,
– Erstellen von Fertigungsdaten und Fertigung des Zahnrads auf Basis der Fertigungsdaten.

Das Verfahren sieht bevorzug t vor, dass mehrere verschiedene Schallminderungsmittel simuliert werden, bis eine Auswahl von ein oder mehreren Schallminderungsmitteln anhand vorgebbarer Kriterien erfolgt.
Die Auslegung des Zahnrads zum Beispiel als Erstauslegung für einen Startpunkt kann beispielsweise über eine vorhandene Datenbank erfolgen, in der eine Vielzahl an Daten, Geometrieformen etc abgespeichert sind. Durch Eingabe von ein oder mehreren Vorgaben kann dann mit einer ersten Geometrie gestartet werden. Eine Simulation einer Lastberechnung kann beispielweise mit herkömmlichen Programmen erfolgen, die zum Großteil auf Finiten-Elementen-Methoden aufsetzen. Eine Geräuschvorhersage wiederum kann durch verschiedene Modelle ermöglicht werden, die eingesetzt werden können. Beispielhaft sei auf eine Modell-Darstellung verwiesen, wie sie aus "Simulation und Optimierung des Geräuschverhaltens von Fahrzeuggetrieben", Dipl. -Ing. Peter Fietkau, Dipl. -Ing. Axel Baumann, Dipl. -Ing. Sabine Sanzenbacher, Prof. Dr. -Ing. Bernd Bertsche, ATZ – Automobiltechnische Zeitschrift, Ausgabe 09/2013, Seite 730–735 hervorgeht und auf die im Rahmen der Offenbarung verwiesen wird. Eine weitere sehr ausführliche Modellierung geht aus der Dissertation von Michael Karl Heider an der Technischen Universität München mit dem Titel "Schwingungsverhalten von Zahnradgetrieben – Beurteilung und Optimierung des Schwingungsverhaltens von Stirnrad -und Planetengetrieben", ISBN 978-3-8439-0767-5.
In die Modelle können auch unterschiedliche Materialmodelle Eingang finden, vor allem elastische, visko-elastische, poro-elastische Modelle wie auch Modelle für Verbundwerkstoffe. Damit sind zum Beispiel auch in einer Bewertung und Simulation Materialien mit atypischen Eigenschaften einsetzbar, wie beispielsweise einem hohen Dämpfungsverhalten und akustischer Absorptionsfähigkeit.
Bevorzugt ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass eine Kopplung mit einer Außenraumakustik erfolgt: Die Kopplung von Strukturen und Schwingungen wird eingesetzt, um in einer einzigen gekoppelten vibro-akustischen Analyse das Schallfeld zu analysieren, das von einer schwingenden Struktur des Zahnrads abgestrahlt wird.
Auch kann im Rahmen der Simulation eine auf einer Frequenzgangfunktion (Frequency Response Function, abgekürzt FRF) beruhende Methode genutzt werden. Diese ermöglicht, einen Pfad eines Energieflusses von einer Quelle zu einem relevanten Punkt bestimmen zu können, um so kritischer Wege und Geräuschquellen frühzeitig zu identifizieren. Beispielsweise wird ein Frequenzgang des Zahnrads aufgrund von Einheitsbelastungen bei einer bestimmten Frequenz dargestellt. Anschließend können verschiedene Frequenzgänge kombiniert werden, um so die FRFs von Getrieben mit diesem Zahnrad zu erzeugen.
Das Verfahren erlaubt, ein oder mehrere verschiedene Schallminderungsmittel an ein oder verschiedenen Positionen vorzusehen und die Auswirkungen sodann auf das Körperschallverhalten des Zahnrads zu prüfen. Dazu können verschiedene lokale Anordnungen wie aber auch unterschiedliche Abmessungen, Dichten, Porositäten, Geometrien oder sonstiges simuliert werden. Die Simulation mit dem oder den Schallminderungsmitteln ermöglicht den Einfluß auf die Lastberechnung und das Geräuschverhalten einzuschätzen. Durch Vorgabe von verschiedenen Parametern ist es möglich, zu bewerten, ob die so aufgefundenen Werte den Vorgaben genügen oder ob eine Anpassung erfolgen muss. Mittels iterativer Vorgehensweise kann dieser Prozess automatisiert ablaufen. Schließlich können aus dem so ermittelten Ergebnis Fertigungsdaten zum Beispiel CAD-Daten gewonnen werden, die gemäß einer Weiterbildung direkt einer Fertigung zugeführt werden können.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass eine Qualitätsgüte des ausgelegten Zahnrads gemäß DIN 3961 und DIN 3962 bezüglich eines Parameters, vorzugsweise eines totalen Profilfehlers F_a, eines Profilwinkelfehlers f_Ha und eines Profilformfehlers f_a, angepasst wird auf jeweils die Güte 6 oder besser. Ein Ansatz für Verzahnungsqualitäten ist beispielsweise wie folgt:

1) Sinter hartfeinbearbeitet => Qualität vergleichbar mit Vollstahlradfertigung heute, z.B. Q6/Q5 incl. Balligkeiten (Profil- und Flanke) im Bereich von 4–15 µm
2) Fertiggewalzt => Profil/Flanke/Teilung => Q5 nach Walzen, Q6–7 nach Härten (= Endzustand) oder besser
3) Durch einen intelligenten Radkörper kann eine Aufweitung der Toleranzen (Qualitäten) in einzelnen Merkmalen möglich sein, z.B. Q5–Q6 in Profil und Teilung und eine schlechtere Qualität in der Flankenlinie fHß von 7–8, wobei der daraus resultierende negative Einfluss auf das Geräusch durch den dämpfenden Radkörper kompensiert wird.

Es hat sich in Versuchen herausgestellt, dass bei einem Ersatz von Zahnrädern aus Vollstahl durch Zahnräder aus gesintertem Pulvermaterial es zu einer Verschiebung der Eigenfr equenz kommt. Dieses kann einhergehen mit lokalen Überhöhungen des Körperschallpegels. Da aber die Eigenfrequenz des Zahnrads durch zum Beispiel die Dichte und damit die veränderte Biegefestigkeit beeinflussbar ist, kann diesen Überhöhungen wirksam entgegen gewirkt werden.
Wird eine Selektivanalyse erster bis fünfter Ordnung des Körperschallpegels über die Drehzahl aufgenommen, hat sich herausgestellt, dass unter Zuhilfenahme von gesinterten pulvermetallischen Werkstoffen sich eine Absenkung des Pegels erzielen lässt. Dieses kann durch eine gesteuerte Lage von Porositäten und damit unterschiedlichen Dichten im Zahnrad verstärkt werden. Durch Hinzunahme von ein oder mehreren vorgeschlagenen, weiteren Schallminderungsmitteln gelingt es, eine Absenkung um drei dBA und mehr gegenüber einem gleichen Zahnrad aus Vollstahl zu erzielen. Es bietet sich daher an, als Vergleich zum PM-Zahnrad mit zusätzlichen Schallinderungsmittel das gleiche Zahnrad aus Vollstahl zu nehmen.
Des Weiteren wird auf die Verzahnung des Zahnrads dahingehend eingegangen, dass berücksichtigt wird, dass eine während des Eingriffs in die Verzahnung des korrespondierenden Zahnrads veränderliche Zahnfedersteifigkeit auftritt. Durch diese Steifigkeitsänderungen der Verzahnung sowie auch Verzahnungsabweichungen kann es zu unterschiedlichen Schwingungen des Radkörpers des Zahnrads aber auch des Zahnradgetriebes kommen. Es wird daher vorzugsweise nicht nur ein statisches Verhalten sondern bevorzug ein dynamisches Verhalten des Zahnrads allein oder auch im Zusammenspiel mit ein oder mehreren anderen Zahnrädern untersucht, mit denen das Zahnrad sich im Eingriff befindet. Hierbei kann vorgesehen werden, dass dynamische Zusatzkräfte zwischen den Zahnrädern statische Umfangskräfte überlagern. Bei einer Tragfähigkeitsberechnung des Zahnrads wird dies durch den Dynamikfaktor berücksichtigt, der dem Verhältnis der auf einen Zahn wirkenden maximalen Kraft zur Zahnkraft einer fehlerfreien Verzahnung unter statischen Bedingungen entspricht. Der Dynamikfaktor ist daher ein Maß für das Schwingungsverhalten des Zahnrads, aber auch der Verzahnung. Das Schwingungsverhalten wird vor allem von der Lage der Erregerfrequenz infolge des wechselnden Zahneingriffs zur Eigenfrequenz des Drehschwingungssystems des Zahnrads bestimmt. Da es um die Eigenfrequenz einen besonders kritischen Resonanzbereich und unterhalb der Eigenfrequenz einen unterkritischen Bereich mit Vorresonanzen sowie oberhalb der Resonanzfrequenz über einem Zwischenbereich eine überkritischen Bereich mit überkritischen Resonanzen in Form von Oberschwingungen geben kann, kann dem bei der Auslegung des Zahnrads, der Anordnung der unterschiedlichen Dichten, Porösitäten und Auswahl der Dämpfungsmittel ebenfalls Rechnung getragen werden. Auch hierbei kann die Eigenfrequenz nach oben durch Erhöhung der Zahnfedersteifigkeit bzw. nach unten durch Absenkung der Zahnfedersteifigkeit ermöglicht werden. Bei der Auslegung kann im Übrigen ein Berechnungstool eingesetzt werden, wie zum Beispiel das unter dem Namen ZaKo3D bekannte Programm des WZL der RWTH Aachen, Deutschland. Hierbei wird aber zum Beispiel eine Dichtevariation mitaufgenommen.
Neben einer Auslegung des Zahnrads unter Berücksichtigung des Dynamikfaktors und gegebenenfalls dessen Reduzierung hierbei kann darüber hinaus in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen werden, dass zusätzlich ein Einfluss von Profilkorrekturen am Zahnkopf oder am Zahnfuß mitberücksichtigt werden kann. Hierzu können zum Beispiel die Kopfflanken teilweise hinter die Evolvente zurückgenommen werden, um Auswirkungen von Herstellabweichungen und belastungsbedingten Verformungen auf das Schwingungs- und Geräuschverhalten des Zahnrads teilweise zu kompensieren Durch ein abgestimmtes, die Körperschalldämmung berücksichtigendes Auslegen bei gleichzeitiger oder nachfolgender Berücksichtigung konstruktiver Möglichkeiten der Schwingungsbeeinflussung kann insgesamt ein verbessertes, Pegel-gedämpfteres Zahnrad ermittelt werden. Bevorzugt geht eine aktive Beeinflussung des Geräuschverhaltens durch Profilkorrekturen oder sonstige konstruktive Änderungen mit in die Berechnung und Auslegung ein, zum Beispiel zusammen mit einer dichtebasierenden Steifigkeitsberechnung von Radkörper und verzahnung. Darüber kann ein geräuschbestimendes Anregungsverhalten der Verzahnung auch unter Last in die Auslegung einfließen.
Im Übrigen wird bevorzugt bei der Analyse auch eine Modellierung der Wahrnehmung des Geräuschs mit eingebunden. Hierzu kann beispielsweise eine Vorgehensweise in das Verfahren eingebunden werden, wie sie aus der Dissertation von Christian Felix Carl mit dem Titel "Gehörbezogene Analyse und Synthese der vibroakustischen Geräuschanregung von Verzahnungen", ISBN: 978-3-86359-277-6 hervorgeht. Hierbei wird die Wahrnehmung von Getriebegeräuschen mit Hilfe psychoakustischer Metriken auf die Radsatzauslegung zurückgeführt und diese durch mathematische Modelle zugänglich gemacht. Das vorgestellte theoretische Modell ist ein Ansatz, einen Zusammenhang zwischen der radsatzspezifischen Anregung und der infolge vibroakustischer Wechselwirkungen entstehenden Geräuschemission sowie deren psychoakustischen Bewertung mit Hilfe eines Berechnungsprozesses abzubilden.
Neben der Auslegung des Zahnrads wird des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines obigen Zahnrads vorgeschlagen, wobei eine Auswahl eines Fertigungsverfahrens unter fertigungstechnischen, belastungstechnischen und geräuschtechnischen, vorgebbaren Aspekten erfolgt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass bei einem Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Zahnrads wie oben beschrieben zumindest eines der folgenden Herstellungsverfahren zum Ausbilden eines Schallminderungsmittels im Zahnrad zur Anwendung gelangt:

– eine Oberflächenwalzung der Verzahnung aus Sintermetall zur Einstellung einer Porosität unter schallmindernden Gesichtspunkten,
– eine gleichzeitige Anordnung von zwei oder mehr verschiedenen, gemeinsam zu sinternden Pulvern in einer Pressform, zur Ausbildung eines Schallminderungsmittels im Zahnrad wie oben beschrieben,
– ein Einlegen von ein oder mehreren Körpern in und/oder an einem zu sinterndem Material des herzustellenden Zahnrads, vorzugsweise von einer Strebe, einem Schwingungssystem, einem Hohlkörper oder einem flüssigkeitsgefülltem Körper,
– ein additives Herstellungsverfahren, zum Beispiel mittels eines Laserbeds oder mittels eines Binderadditiven Herstellungsverfahrens,
– ein Pulver-Sinter-Verfahren und/oder
– einem Hybridverfahren aus verschiedenen Herstellungsverfahren, zum Beispiel einem additiven Herstellungsverfahren in Verbindung mit einem pulvermetallischen Sinterverfahren.

Die vorgeschlagenen Zahnräder können des Weiteren auch mit anderen Zahnrad-Konstruktionen verknüpft werden, deren Ziel es ist, ein Rasseln bzw. Getreiberasseln zum Beispiel in einem Getreibe zu verringern. Beispielsweise kann das derartige Zahnrad mit einem Schallminderungsmittel ein Zero-Backlash-Zahnrad sein. Beispielwiese geht ein derartiges Zahnrad aus der DE 10 2012 025 210 hervor, auf die im Umfang der Offenbarung hiermit vollumfänglich verwiesen wird.
Aus den nachfolgenden Figuren gehen verschiedene Ausführungsbeispiele von modifizierten Radkörpern hervor, mit denen eine Geräuschminderung möglich ist. Die in den einzelnen Figuren dargestellten Einzelheiten sind jedoch nicht auf die jeweilige Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können ein oder mehrere Merkmale aus ein oder mehreren Figuren wie auch aus der zugehörigen und/oder obigen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpft werden, um eine erfindungsgemäße Lösung zu verwirklichen. Es zeigen
1 und 2 Zahnräder, ähnlich einem Verbundzahnrad, bestehend aus mehreren, pulvermetallurgisch hergestellten Einzelbauteilen mit unterschiedlichen Dichten,
3 zeigt dass die Einzelbauteile mit unterschiedlichen Dichten in axialer Richtung in der Form variiert werden können,
4 bis 6 zeigen lokale, nicht symmetrisch angeordnete Dichtevariationen sowohl in radialer als auch axialer Richtung,
7 zeigt eine scheibenförmige Anordnung von Elementen unterschiedlicher Dichte in Vorzugs Richtung,
8 zeigt eine scheibenweise Anordnung unterschiedlicher Dichten in einem Winkel zu einer Zahnradachse,
9 zeigt schematisch Schallführungskanäle in unterschiedlicher Ausführung,
10 zeigt eine Topologie optimierte Stabstruktur mit dämpfend beschichteten Stäben,
11 zeigt ein möglicher Aufbau einer „Feder-Masse-Zelle“, und
12 zeigt ein erfindungsgemäßes Zahnrad.
1 und 2 zeigen verschiedene Ausführungen von um die Drehachse herum angeordnete geschlossene Dichteverläufe. Die jeweilige Geometrie der Bereiche unterschiedlicher Dichte können einen fließenden Übergang oder auch einen sprungartigen Dichteunterschied aufweisen. Sie können ineinander übergehen, wellen- oder auch zackenförmige Gestaltungen aufweisen.
3 zeigt, dass die Einzelbauteile mit unterschiedlichen Dichten in axialer Richtung in der Form variiert werden können. Entlang einer axialen Erstreckung können diese Dichteunterschiede parallel zu der Drehachse wie auch in einem Winkel dazu verlaufen.
4 bis 6 zeigen lokale, bevorzugt nicht symmetrisch angeordnete Dichtevariationen sowohl in radialer als auch axialer Richtung. Darüber kann zum Einen die Steifigkeit und damit die Eigenfrequenz des Zahnrads beeinflusst werden. Zum Anderen kann ein Körperschall durch diese Form absorbiert, abgelenkt oder auch umgeleitet werden.
7 zeigt einen scheibchenförmigen Aufbau des Zahnrads, wobei jede Schicht eine andere Dichte aufweist als eine dazu benachbarte Schicht. Dieses ermöglicht zum Beispiel eine Dämpfung des Körperschals in axialer Richtung, wobei eine Festigkeit des Zahnrads weiterhin so auslegbar ist, dass auch hohe Drehmomente übertragbar bleiben.
8 zeigt eine winklige Anordnung von Scheibchen unterschiedlicher Dichte. Das Zahnrad kann insbesondere auch Bereiche aufweisen, die nur Dichtescheibchen aufweisen, die parallel und senkrecht zu der Drehachse verlaufen, wie auch Bereiche, die quer zur Drehachse stehen.
9 zeigt in beispielhafter Ansicht mehrere Kanäle, die zur Schallleitung in dem Zahnrad angeordnet sind. Der Verlauf der schallweiterführenden Kanäle kann davon abhängig gemacht werden, wie denn die Anregung durch zum Beispiel ein Getriebe erfolgt. Die Kanäle können vollständig gefüllt sein. Es besteht aber ebenfalls die Möglichkeit, dass die Kanäle nur unvollständig mit einem anderen Material gefüllt sind.
10 zeigt eine Ausgestaltung, bei dem das Zahnrad mehrere Streben aufweist. Die Streben dienen zur Stabilisierung und Versteifung des Zahnrads bei gleichzeitiger Beeinflussung der Biegesteifigkeit. Die Streben können vollständig oder teilweise von gesintertem Material umgeben sein. Auch können ein oder mehrere Abschnitte einer Strebe zumindest zum Teil frei von gesintertem Material sein. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass eine Verstrebung eine Ummantelung, insbesondere eine Beschichtung aufweist. Die Beschichtung dämpft bevorzugt zusätzlich einen Körperschall. Die Beschichtung ist hierzu vorzugsweise offenporig, kann aber auch geschlossen porig sein.
11 zeigt in beispielhafter, nur schematisch angedeuteter Weise ein Schwingungssystem, was im Zahnrad angeordnet sein kann. Vorzugsweise wird hierzu eine Flüssigkeitsbefüllung vorgenommen. Das Schwingungssystem wird vorzugsweise in Kenntnis vom späteren Hauptdrehbereich des Zahnrads ausgelegt Es kann einerseits dadurch in diesem Bereich aktiv sein. Es kann gemäße einer Weiterbildung aber auch in Anlehnung an eine Eigenfrequenz des Zahnrads ausgelegt sein, um zum Beispiel einer Eigenfrequenz entgegenzuwirken.
12 zeigt in beispielhafter Ausgestaltung ein Zahnrad mit inneren vorgebbaren Hohlräumen, die zum Beispiel gefüllt werden können oder frei bleiben. Beispielweise kann ein derartiges Zahnrad mittels additivem Pulverbettverfahren hergestellt werden. Bevorzugt wird ein metallisches Pulver in die Hohlräume eingefüllt, das miteinander locker verbackt und dadurch als Adsorber für Schall dient. Vorzugsweise wird ein Hohlraum mit einer Schüttdichte von 2,5 bis 3,5 g/cm³ gefüllt, und zwar nur zum Teil, bevorzugt so, dass mindestens 50% des Hohlraums luftgefüllt ist. Das geschüttete Material kann das gleiche Matreial wie das Zahnrad aufweisen oder ein anderes Material sein. Auch ist bei Wabenanordnungen vorzugsweise zu beachten, dass diese geringe Abweichungen voneinander haben. Bevorzugt werden bei Zahnrädern, diesem wie auch anderen, die Sinterhjälse genutzt, zum Beispiel durch Zugabe von Öl oder einer anderen Flüssigkeit. Auch kann dem gesinterten Zahnrad Kuper beigegeben worden sein. Vorzugsweise ist im Inneren mehr Kuper denn im Äußeren beigegeben.
Die Erfindung ist anwendbar bei verschiedenen Zahnrädern, insbesondere Stirnradzahnrädern, schräg- wie auch geradverzahnt, aber auch bei Kegelradzähnen. Verschiedene Zahnräder derart ausgelegt können in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz gelangen, so zum Beispiel in Motoren jeglicher Art, bei Schaltgetrieben, bei E-Antrieben, in Haushaltsgeräten, handbetätigten Maschinen, in handgeführten Maschinen, in Fahrzeugen aller Art.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 955467 [0003]
DE 19815860 A1 [0003]
EP 1552895 B1 [0003]
DE 102014006374 [0011]
DE 102009042598 [0011]
WO 2013/067995 A1 [0011]
DE 102013103006 A1 [0011]
EP 2221131 A1 [0011]
EP 1407877 A1 [0011]
EP 134527 A2 [0011]
JP 60-162702 A [0011]
DE 102012025210 [0040]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Dissertation von Dietmar Mandt mit dem Titel "Eigenschaften und Einsatzverhalten von leichten und dämpfenden Werkstoffverbund-Zahnrädern" ISBN 978-3-8322-5209-0, WZL, RWTH Aachen, Berichte aus der Produktionstechnik Band 14/2006 [0003]
Waag, U; Schneider, L; Lötmann, P Stephani, G; "Metallic hollow sphere material for the future", Metal Powder [0017]
Stephani, G; Waag, U; "Superleichte metallische Hohlkugelstrukturen", Tagungsband BMBF-WING Konferenz 2003, S. 172–181 [0017]
DIN 3961 [0024]
DIN 3962 [0024]
ISO 17485 [0024]
"Simulation und Optimierung des Geräuschverhaltens von Fahrzeuggetrieben", Dipl. -Ing. Peter Fietkau, Dipl. -Ing. Axel Baumann, Dipl. -Ing. Sabine Sanzenbacher, Prof. Dr. -Ing. Bernd Bertsche, ATZ – Automobiltechnische Zeitschrift, Ausgabe 09/2013, Seite 730–735 [0027]
Dissertation von Michael Karl Heider an der Technischen Universität München mit dem Titel "Schwingungsverhalten von Zahnradgetrieben – Beurteilung und Optimierung des Schwingungsverhaltens von Stirnrad -und Planetengetrieben", ISBN 978-3-8439-0767-5 [0027]
DIN 3961 [0032]
DIN 3962 [0032]
Dissertation von Christian Felix Carl mit dem Titel "Gehörbezogene Analyse und Synthese der vibroakustischen Geräuschanregung von Verzahnungen", ISBN: 978-3-86359-277-6 [0037]

Claims

Zahnrad, aufweisend zumindest ein gesintertes Material mit einer Porosität, wobei das Zahnrad neben der Porosität ein weiteres Schallminderungsmittel aufweist.
Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest teilweise schalltechnische Entkopplung von einem Zahnkranz des Zahnrads und einer Nabe einhergehend mit einer Brechung der Schallwellen durch eine Variation der Dichte im Radkörper erzeugt ist, die einen Übertragungspfad der Körperschallwellen von der Erzeugung am Zahnkranz zur Nabe unterbricht und/oder Schallwellen so bricht, absorbiert oder reflektiert, dass ein Körperschallsignal an einem Ausgang in Form einer Welle des Zahnrads oder einer Bohrung des Zahnrads geringer ausfällt.
Zahnrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Variation einer Dichte in einem Radkörper des Zahnrads vorliegt.
Zahnrad nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Kammern, die in einem Radkörper des Zahnrads eingebracht sind, ein Körperschall gebrochen, absorbiert und/oder reflektiert wird.
Zahnrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern leer und/oder mit einem Medium gefüllt sind, vorzugsweise einem Öl und/oder einem losen Pulver.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad zumindest ein oder mehrere der folgenden Schallminderungsmittel aufweist: – eine Brechung, eine Absorbtion und/oder Reflexion von Schallwellen durch gefüllte und/oder nicht gefüllte Kammern in dem Zahnrad, – eine Kombination von unterschiedlichen Dichten und/oder Materialien sich erstreckend in radialer Richtung unter Ausbildung von ringförmigen, vorzugsweise geschlossenen Ringen unterschiedlicher Dichte und/oder Materialien.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Dichtevariation vorgesehen ist.
Zahnrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad einen scheibenförmigen Aufbau unterschiedlicher Dichten hat.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallkanal im Zahnrad verläuft, entlang der ein Körperschall geführt wird.
Zahnrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass gezielt eingebrachte Leitungen als Schallkanäle einen Körperschall daran hindern, direkt zu einem Ausgang in Form einer Welle oder Bohrung des Zahnrads zu gelangen.
Zahnrad nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material mit einer höheren Dichte einen Schallkanal bildet.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallkanal mit einem, zur Umgebung des Schallkanals gleichen Material mit geringerer Porösität versehen ist.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallkanal rotationssymmetrisch um eine Drehachse des Zahnrads angeordnet ist.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad eine schwingungsdämpfende Beschichtung aufweist.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad eine Verstrebung aufweist, wobei Streben der Verstrebung bevorzugt schwingungsdämpfend beschichtet sind.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere asymmetrische Geometrien im Zahnrad vorliegen, die eine Eigenfrequenz des Zahnrads beeinflussen.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad eine Qualitätsgüte des ausgelegten Zahnrads gemäß DIN 3961 und DIN 3962 bezüglich zumindest eines Parameters, vorzugsweise eines totalen Profilfehlers F_a, eines Profilwinkelfehlers f_Ha und/oder eines Profilformfehlers f_a, von zumindest der Verzahnungsqualität 6 oder besser aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads aufweisend die folgenden Schritte: – Auslegung eines gesinterten Zahnrads anhand vorgebbarer Geometrie- und Lastdaten, – Simulation einer Lastberechnung und einer Geräuschvorhersage des ausgelegten Zahnrads, – Auswahl von zumindest einem Schallminderungsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 16, – Überprüfung einer Lastberechnung und einer Geräuschvorhersage, – gegebenenfalls Anpassung des Zahnrads und Wiederholung von zumindest einer Überprüfung der Geräuschvorhersage bzw. der Lastberechnung, – Erstellen von Fertigungsdaten und Fertigung des Zahnrads auf Basis der Fertigungsdaten.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere verschiedene Schallminderungsmittel simuliert werden, bis eine Auswahl von ein oder mehreren Schallminderungsmitteln anhand vorgebbarer Kriterien erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Qualitätsgüte des ausgelegten Zahnrads gemäß DIN 3961 und DIN 3962 bezüglich eines Parameters, vorzugsweise eines totalen Profilfehlers F_a, eines Profilwinkelfehlers f_Ha und eines Profilformfehlers f_a, angepasst wird auf jeweils die Verzahnungsqualität 6 oder besser.
Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei eine Auswahl eines Fertigungsverfahrens unter fertigungstechnischen, belastungstechnischen und geräuschtechnischen, vorgebbaren Aspekten erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Zahnrads nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der folgenden Herstellungsverfahren zum Ausbilden eines Schallminderungsmittels im Zahnrad zur Anwendung gelangt: – eine Oberflächenwalzung und/oder Oberflächenverdichtung der Verzahnung zur Einstellung einer Porosität unter schallmindernden Gesichtspunkten, – eine gleichzeitige Anordnung von zwei oder mehr verschiedenen, gemeinsam zu sinternden Pulvern in einer Pressform, zur Ausbildung eines Schallminderungsmittels im Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 17, – ein Einlegen von ein oder mehreren Körpern in und/oder an einem zu sinterndem Material des herzustellenden Zahnrads, vorzugsweise von einer Strebe, einem Schwingungssystem, einem Hohlkörper oder einem flüssigkeitsgefülltem Körper.
Computerprogrammprodukt zur Herstellung eines Zahnrads mit Computerprogrammcodemitteln auf einem Datenträger zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 22.
Verwendung einer Maschine zur Herstellung eines Zahnrads nach einem der Ansprüche 1 bis 17 unter Nutzung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 22.