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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung und ein Analysesystem zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung.
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Stand der Technik
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In elektrischen Antriebsvorrichtungen, etwa solchen die als elektrische Achse ausgefertigt sind, sind typischerweise eine elektrische Maschine, wie ein Elektromotor, und ein Getriebe verbaut, wobei die elektrische Maschine von einer Leistungselektronik gesteuert und betrieben werden kann. Das angetriebene und in Teilen rotierende Antriebssystem kann ein dynamisches und ein NVH (Geräusche, Vibrationen, Rauhigkeit) Verhalten aufweisen.
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In dieser Antriebsvorrichtung können periodische Kontakte (mechanisch) zwischen den rotierenden Komponenten auftreten. Wechselnde magnetische Felder in der elektrischen Maschine können als die Hauptquellen der dynamischen Last (Belastung) identifiziert werden und deren Wirkung kann durch einen Belastungsweg (Übertragung) über stationäre Komponenten verstärkt werden, etwa über Gehäuse und Abdeckungen. Schließlich können dadurch (durch solche Hauptquellen) luftübertragene Geräusche der elektrischen Achse entstehen, welche die Passagiere eines Fahrzeugs wahrnehmen können und strukturelle Geräusche, welche auf das Fahrzeuggehäuse über Montagepunkte übertragbar sind.
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Neben einer Wahl einer optimalen Geometrie oder Form der elektrischen Achse kann eine bekannte Methode genutzt werden, in welcher eine Harmonisierung der Pulsung des Drehmoments durch die magnetischen Felder der elektrischen Maschine erfolgen kann, um den Betrieb des Antriebs zu modifizieren, was als harmonisierte Strominjizierung (harmonic current injection) bekannt ist. Dies kann bei einer Anpassung der Stromoszillation für die Leistungselektronik angewandt werden (Injektion harmonischer Ströme). Die mechanischen Hauptquellen der Vibrationen können in weiten Bereichen variieren und können am effektivsten durch Anpassung von Design und Herstellungseigenschaften beeinflusst werden. Auch bei idealer Form kann eine Deformation der Antriebskomponenten (im Betrieb) und Toleranzen der Komponenten zu Vibrationseffekten und Geräuschquellen führen. Ein Schaltgetriebesystem kann zusätzliche dynamische und NVH-Effekte (Geräusche, Vibrationen, Rauhigkeit) im Betrieb umfassen. Rollenpaare können dabei periodische Kontakt- und Störeffekte und Vibrationen sowie Geräusche erzeugen.
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Ausgehend von den genannten Phänomenen ergibt sich der Wunsch eine Harmonisierung der dynamischen und NVH-Effekte am rotierenden Antriebssystem und dessen Komponenten zu erzielen und dabei eine Bewegung vom Rollenpaaren in einem Schaltsystem und dessen periodische transiente Kontaktphänomene zu berücksichtigen. Des Weiteren ist es Ziel, eine kosteneffektive Topologie in der Herstellung zu unterstützen/bereitzustellen (Träger, Lagersitze, Abdeckungen, Montagebereiche), kosteneffektive Herstellungsschritte zu begünstigen, eine dynamische Stabilität der Schaltung, der Lagerstrukturen und/oder der Montagebereiche zu unterstützen und eine Effizienz des Antriebs zu verbessern und thermische Verluste zu verringern.
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In der
DE 199 14 228 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren eines akustischen Rauschens bzw. eines akustischen Geräuschs beschrieben, das durch einen elektrischen SR-Motor erzeugt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 und ein Analysesystem zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung nach Anspruch 10.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung und ein Analysesystem zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung anzugeben, wobei eine kosteneffektive Lösung zur Minderung von NVH-Effekten erzielt werden kann, wobei Störquellen besser lokalisiert werden können und unter einem bestimmten Betrieb des Antriebs und/oder dessen Design die dynamischen und NVH-Effekte optimiert und verringert werden können.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung ein Antreiben einer Antriebswelle und/oder eines Schaltgetriebes über eine elektrische Maschine; ein Detektieren von einem Antriebsgeräusch von der angetriebenen Antriebswelle und/oder vom angetriebenen Schaltgetriebe und ein Ermitteln von einer Frequenz des Antriebsgeräusches mittels einer Sensoreinrichtung; ein Abgleichen des ermittelten Antriebsgeräusches und/oder der ermittelten Frequenz mit einem bekannten Geräuschquellenmuster und/oder dessen Frequenz und Bestimmen einer Quelle des Antriebsgeräusches in der Antriebswelle und/oder dem Schaltgetriebe; und ein Anpassen eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine und/oder der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes und/oder einer physischen Auslegung der elektrischen Maschine und/oder der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes zum Verringern des Antriebsgeräusches.
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In dem Schaltgetriebe oder der elektrischen Maschine können beim gegenseitigen Berühren der Komponenten, etwa der Zahnräder bei Rollenpaaren, transiente und periodische Phänomene auftreten und eine jeweils kurzzeitige Kraftübertragung auslösen, welche in NVH-Effekten resultieren können. Hierbei können unterschiedliche Arten von Kontakten erfolgen, etwa wenn sich Zahnräder gerade und in voller Breite oder nur an den Innen- oder Außenseiten bei schiefer Lage zueinander berühren. Die Berührungsbereiche können auch teilweise und kurzzeitig deformiert (elastisch) werden. Solche NVH-Effekte können dabei abhängig von der Rotation der elektrischen Maschine sein, etwa abhängig von einem Grundbetrieb (Grundfrequenz bei einem gepulsten Betriebsmodus). So kann eine Zeitvariation der NVH-Effekte, auch eine Verzögerung, in Abhängigkeit des Betriebs der elektrischen Maschine ausgedrückt werden. Dies kann weiterhin durch ein Design der elektrischen Maschine und des Schaltgetriebes beeinflusst sein, etwa von Winkellagen der Komponenten zueinander, oder von Zeitverzögerungen der auftretenden NVH-Effekte bezüglich dem Betrieb der elektrischen Maschine, etwa wenn Muster von Strukturen des Schaltgetriebes erst nach einer bestimmten Zeitphase nach Einsetzten des Betriebs der Maschine aneinander geraten (Dauer bis sich die Zahnräder in die jeweilige Position drehen, in welcher die NVH-Effekte entstehen kann als eine Phasendifferenz identifiziert werden).
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Durch das Verfahren kann eine kosteneffektive Lösung gegeben werden, um Anforderungen des Kunden/Nutzers hinsichtlich dynamischer und NVH-Vorgaben zu erreichen, etwa durch eine multi-objektive Resonanzharmonisierung über die elektrische Maschine und/oder das Schaltgetriebe. Erzielt werden kann dabei ein konkurrenzfähiges Verbessern des Betriebs und/oder der Herstellung eines Antriebssystems durch ein Analyse- und Kontrollsystem oder ein entsprechendes Verfahren um Vorgaben eines Kunden/Nutzers hinsichtlich dynamischer Effekte und NVH-Effekte zu erreichen, wobei die elektrische Antriebseinrichtung vorzugsweise eine elektrische Achse betreffen kann. Durch erkannte Störquellen und Geräusche kann eine Entwicklung der Herstellung der Komponenten der Antriebseinrichtung in einem frühen Stadium beeinflusst werden, ebenso für Einzelstücke, wie bei einer Serienproduktion. Hieraus kann sich ein höchster Grad an Flexibilität und Kompatibilität hinsichtlich Designtoleranzen ergeben, etwa bei entsprechendem Ansatz und Durchführung des Verfahrens hinsichtlich dieser Aspekte, passiv oder in Echtzeit. Das Verfahren und das angewandte Analysesystem, welches das Verfahren steuern oder durchführen kann, kann dabei als ein selbstadaptives Kontrollsystem betrieben werden. Mit dem Verfahren kann ein optimiertes Design, mit möglichst optimalen Ausmaßen, angestrebt und ermittelt werden und eine Kontrolle hinsichtlich Lebensdauer der Komponenten erfolgen und in deren anzupassender Ausgestaltung auf Lebensdauer optimiert werden. Die Durchführung des Verfahrens kann auf einer internen Programmierung eines durchführenden Systems (Steuerung) basieren und dies einfach anpassbar sein, wenn unterschiedliche Designvarianten, Ansteuerungen, Betriebsmodi, oder Ansprüche für den Betrieb umzusetzen oder anzuwenden sind.
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Es kann beispielsweise ein Betrieb der elektrischen Maschine mit 48 kHz erfolgen und eine Ausgangsleistung in Stufen von etwa 15%, 25%, 50%, 75% oder 100% als Motor oder Generatorbetrieb erfolgen. Dabei kann eine volle Leistung etwa bei 1000 - 16000 Umdrehungen erzielbar sein und etwa 70 Nm als Motor oder - 60 Nm als Generator erzeugen. Der Inverter kann mit einer Frequenz von 9 kHz betrieben werden (Schaltfrequenz) und Raten von 300 Umdrehungen/Sekunde oder bis zu 1000 RPM/s erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die elektrische Maschine mit einem Betriebsstrom angesteuert, welcher eine vorbestimmte Grundfrequenz oder eine vorbestimmte höhere harmonische Frequenz aufweist.
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Bei der vorbestimmten Grundfrequenz oder einer vorbestimmte höheren harmonischen Frequenz kann es sich um eine Frequenz des Stromsignals handeln.
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Dieser genannte Schritt kann während einer Designphase der Antriebseinrichtung erfolgen. Beim Erkennen der Geräusche, deren Quellen und/oder deren Frequenz kann eine Multikörper finite Elementenanalyse sowie entsprechende Messungen erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird für den Betriebsstrom mit der vorbestimmten Grundfrequenz oder der vorbestimmten höheren harmonischen Frequenz diese bezüglich einer Betriebsstufe der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes berücksichtigt.
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Der Betrieb der Ansteuerung kann durch ein Variieren der Ströme an oder von der Leistungselektronik erfolgen bzw. wie die Leistungselektronik selbst angesteuert werden kann. Diese Ansteuerung kann durch die Harmonischen des Stroms an die elektrische Maschine (von oder an) der Leistungselektronik erfolgen. Die Betriebsstufe betrifft beispielsweise ein Rotationsverhalten, eine Gangwahl, eine Wahl von Größen der Zahnräder oder ähnliche Parameter, die zur Kraftübertragung auf andere Komponenten relevant sein können um dabei NVH-Effekte zu erzeugen.
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Bei den gewählten Harmonischen des Stroms kann eine Betriebsart und/oder Design des Schaltgetriebes berücksichtigt werden, wenn dieses in einer entsprechend vom jeweiligen Strom vom Inverter über die elektrische Maschine angetrieben wird, und Betriebscharakteristika durch eine Anpassung des Stroms (sich ergebende Drehfrequenzen oder Geschwindigkeiten oder Leistungsübertragungen bestimmter Komponenten in der Schaltgetriebeeinrichtung bei bestimmten Harmonischen des Stroms am Inverter der elektrischen Maschine) beeinflusst werden. Des Weiteren kann auch zusätzlich oder alternativ bei der Wahl der entsprechenden Harmonischen des Stroms eine Betriebscharakteristik der elektrischen Maschine selbst berücksichtigt werden und eine NVH-Charakteristik beeinflusst werden, wobei ein Zusammenwirken von Maschine und Schaltgetriebe im Betrieb berücksichtigt werden kann.
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Beim Bestimmen einer Quelle des Antriebsgeräusches in der Antriebswelle und/oder dem Schaltgetriebe kann ein Identifizieren der Hauptquellen in Ordnungen (orders) eines Schafts (Antriebswelle) der elektrischen Maschine und/oder des Schaltgetriebe und dessen Fundamentalrotation (Grundordnung der Rotation der Antriebswelle oder einer Komponente des Schaltgetriebes) als Grundbetrieb oder in einem höheren Grad des Grundbetriebs erfolgen, wobei Rollenpaare, rotierende Zwischenschafte und/oder Differentialschafte oder Lager oder weitere Komponenten berücksichtigt werden können.
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Eine Analyse der Geräusche kann vorteilhaft erfolgen, wobei ein Ordnungskennfeld (order map) erstellt werden kann, welches die oben genannten Ordnungen umfassen kann und diese den ermittelten Frequenzen der Geräusche und den zugehörigen Quellen zuordnen kann, also die zugehörigen Informationen auch umfassen kann, etwa aus vorbekannten Frequenzen (von den Komponenten) und/oder deren Geräuschquellen. Das Ordnungskennfeld kann gewichtete Ordnungen umfassen, welche gegenüber anderen Ordnungen höhere oder geringere Wichtungen aufweisen können.
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Jede Ordnung kann einer Multiplikation mit einer Drehgeschwindigkeit (Umdrehungszahl) der elektrischen Maschine mit einem bestimmten Faktor entsprechen, was dann in Hz, als einer Frequenz ausgedrückt werden kann. So kann die Frequenz f der Ermittlung der Geräuschquelle in Relation einer Grundordnung der Rotation der elektrischen Maschine einer Relation f = (Ordnungzahl * Drehzahl) / 60 in Hz entsprechen. Die ermittelten (gemessenen) Frequenzen aus der Geräuschanalyse können aufgezeichnet werden und die Resonanzamplituden ermittelt werden, etwa über eine Sensoreinrichtung, welche ein Beschleunigungssensor sein kann, und die in diesem Zeitmoment vorliegenden Drehzahlen können ebenfalls ermittelt werden. Dadurch kann das NVH-Verhalten ermittelbar sein. Diese Daten können in einem Campbell-Diagramm (rainflow diagram) festgehalten werden, in welchem dann ein Bereich oder Punkt erhöhter Interesse ausgewählt werden kann. Diesem Punkt kann dann eine Frequenz, Ordnung, und Drehzahl zugeordnet werden, etwa aus obiger Relation zur Frequenz. Dazu kann das ermittelte Diagramm entsprechende Geraden aufweisen, welche den verfolgten Anstieg/Fall der Frequenz in Relation zur Drehzahl zeigen. Je nach Betriebsart (Gang, Stromregime, Beladung, angewendete Komponenten, Steuerung über Leistungselektronik etc.) kann eine zu einem Startpunkt beobachtete Frequenz-Drehzahl-Relation eine andere Gerade (mit steigender Frequenz und/oder Drehzahl) zeigen als in einer anderen Betriebsart der elektrischen Antriebseinrichtung. Im Punkt des erhöhten Interesses kann einer bestimmten Frequenz eine bestimmte Drehzahl zugeordnet werden, wodurch sich aus obiger Relation für diesen Punkt die Ordnung ergeben kann. In gleicher Betriebsart (oder Ordnung) kann die Variation der Frequenz und/oder Drehzahl einer gleichen Gerade im Diagramm folgen.
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Die Ordnungen können auch aus einem Verhältnis der Gänge zueinander, der Komponentengeometrie, einem Übersetzungsverhältnis des Schaltungsgetriebes, oder anderer Eigenschaften ermittelt oder definiert werden und können designrelevante Größen von Komponenten betreffen.
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Das Campbell-Diagramm kann eine 3 dimensionale Darstellung umfassen (Drehzahl, Frequenz und Amplitude einer Geräuschlautstärke) und zu spezifischen Ordnungslinien in 2 Dimensionen transferriert werden (Drehzahl, Amplitude der Geräuschlautstärke). Indem ein Sektionsschnitt in der 3D-Darstellung erfolgt (dabei einer Drehzahl eine bestimmte Frequenz zugeordnet werden kann und nur noch 2D Darstellungen aus Drehzahl und Geräuschamplitude dargestellt werden also jeder Graph einer bestimmten Ordnung entsprechen kann), kann in Richtung der Variation der Ordnung eine Konturkurve der Darstellung eine Ordnungskurve darstellen, etwa Ordnungen und deren Geräuschverhalten unter einem vorbestimmten Grenzwert (in Relation zu diesem) berücksichtigen.
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Unterschiedliche Ordnungen können eine unterschiedliche Bedeutung oder Wichtigkeit haben betreffend das Generieren von Geräuschen und können dadurch in der Analyse (aus dem Diagramm) gewichtet werden, etwa nach einer bestimmten Vorgabe. So können bestimmte Ordnungen besser berücksichtigt werden und eine Optimierung im Betrieb oder Design erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Bestimmen der Quelle des Antriebsgeräusches in der Antriebswelle und/oder dem Schaltgetriebe in Abhängigkeit von einem Grad der Grundrotation der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes.
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Der Grad der Grundrotation kann einer Ordnungszahl entsprechen, welche die jeweilige Betriebsart in höheren Ordnungen der Grundrotation einer oder mehrerer Komponenten (etwa in einzelner oder gemeinsamer Wirkung) ausdrücken kann und vorbestimmt sein kann, etwa aus einem Herstellungsprozess.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dem Grad der Grundrotation der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes eine jeweilige Betriebsfrequenz für die Quelle des Antriebsgeräusches zugeordnet und eine ermittelte Frequenz des Antriebsgeräusches mit einer bekannten Betriebsfrequenz verglichen und daraus auf eine Komponente der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes als der Quelle des Antriebsgeräusches rückgeschlossen.
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Der Grad kann höheren Betriebsmodi entsprechen und diese relativ zu einer Grundrotation darstellen, etwa in ganzzahligen oder teilzahligen Vielfachen. Diesen kann eine Betriebsfrequenz zugeordnet sein, etwa aus Messung beim Betrieb und dem Hersteller bekannt sein. Wenn in einem aktuellen Betrieb der Antriebseinrichtung eine bestimmte Frequenz gemessen wird, so kann diese mit vorher bekannten Betriebsfrequenzen abgeglichen werden und auf den Grad der Grundrotation geschlossen werden. Dabei kann auch bekannt sein, welche Kräfte an welchen Stellen wirken und welche Komponenten zusammenspielen um die jeweilige Betriebsfrequenz zu erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der jeweils ermittelte Grad der Grundrotation der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes mit einer vorbestimmten Wichtung versehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt eine Geräuschanalyse der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes im Betrieb.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Detektieren des Antriebsgeräusches und das Ermitteln von dessen Frequenz mittels eines akustischen Sensors und/oder eines Vibrationssensors und/oder eines Beschleunigungssensors.
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Das Detektieren der Geräusche kann über einen oder mehrere Sensoren erfolgen und kann in einem sogenannten „End-of-line“ Test nach einer Montage der Antriebseinrichtung oder im aktiven Betrieb der Antriebseinrichtung im Fahrzeug erfolgen.
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Eine Analyse der Geräusche sowie eine Ansteuerung mit Harmonischen des Stroms kann während einer Fertigungsphase und/oder nach Abschluss an der fertigen Antriebseinrichtung im Abschlusstest und/oder bei einer späteren Wartung und/oder im Betrieb, etwa bei Fahrt auf der Straße (durch eine Selbstmonitoring des Fahrzeugs), erfolgen, stets oder gelegentlich, auch bei einer Serviceinspektion eines Fahrzeugs. Im Betrieb kann somit ein passender Strom zur Ansteuerung gewählt werden um eine Lebensdauer der NVH-Effekte erzeugenden Komponenten zu verlängern und die NVH-Effekte zu verringern. Hierbei können externen Sensoreinrichtungen oder Steuerungen genutzt werden. Durch einen vorteilhafteren Betrieb aus einer verbesserten Ansteuerung des Betriebs der elektrischen Maschine kann auch eine Sicherheit für den Betrieb der Antriebseinrichtung erhöht werden, da die Komponenten der Antriebseinrichtung robuster und schonender und effizienter betrieben werden können. Durch ein Monitoring der NVH-Effekte kann bei einem bestimmten Geräusch die jeweilige Quelle identifiziert werden und durch Anpassung der Betriebsart der Antriebseinrichtung ein erhöhter Verschleiß oder Belastung dieser Komponente verringert werden, was deren Ausfall verzögern kann und ein Nutzer vor einem möglichen Ausfall der Komponente gewarnt werden. Auch ein Defekt einer Komponente kann aus der Geräuschanalyse erkannt werden und dies dem System oder dem Nutzer mitgeteilt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein Detektieren einer Winkelverschiebung eines Rotorwinkels und/oder einer Phasenverschiebung bei einer Winkelposition des Rotors.
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Erfindungsgemäß umfasst das Analysesystem zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung eine Antriebseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine Antriebswelle und/oder ein Schaltgetriebe über eine elektrische Maschine anzutreiben; eine Detektionseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein Antriebsgeräusch von der angetriebenen Antriebswelle und/oder vom angetriebenen Schaltgetriebe zu detektieren und eine Frequenz des Antriebsgeräusches mittels einer Sensoreinrichtung zu ermitteln; eine Auswerteeinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, das ermittelte Antriebsgeräusch und/oder die ermittelte Frequenz mit einem bekannten Geräuschquellenmuster und dessen Frequenz abzugleichen und eine Quelle des Antriebsgeräusches in der Antriebswelle und/oder dem Schaltgetriebe zu bestimmen; und eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, einen Betriebsmodus der elektrischen Maschine und/oder der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes und/oder einer physischen Auslegung der elektrischen Maschine und/oder der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes zum Verringern des Antriebsgeräusches anzupassen.
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Das Analysesystem kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und dessen Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung in einem Testaufbau bei einem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Darstellung von ermittelten Frequenzen einer Geräuschanalyse in Abhängigkeit von Drehzahlen der elektrischen Antriebseinrichtung aus dem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine Darstellung von ermittelten Geräuschamplituden aus einer Geräuschanalyse in Abhängigkeit von Drehzahlen der elektrischen Antriebseinrichtung aus dem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine Darstellung von ermittelten Geräuschamplituden aus einer Geräuschanalyse in Abhängigkeit von Drehzahlen der elektrischen Antriebseinrichtung aus dem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine Darstellung von Komponenten einer elektrischen Antriebseinrichtung zur Berücksichtigung in einem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 6 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung in einem Testaufbau bei einem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Auf einem Prüfstand kann ein Detektieren von einem Antriebsgeräusch von der angetriebenen Antriebswelle und/oder vom angetriebenen Schaltgetriebe und ein Ermitteln von einer Frequenz des Antriebsgeräusches mittels einer Sensoreinrichtung AS an einem Gehäuse der elektrischen Maschine EM erfolgen. Danach kann in einem Analysesystem ein Abgleichen des ermittelten Antriebsgeräusches und/oder der ermittelten Frequenz mit einem bekannten Geräuschquellenmuster und/oder dessen Frequenz und Bestimmen einer Quelle des Antriebsgeräusches in der Antriebswelle und/oder dem Schaltgetriebe erfolgen. Der Sensor kann einen Beschleunigungssensor umfassen. In der Auswertung kann ein konvergenter Prozessfluss erfolgen, etwa auch ein Warnsystem für eine Grenzwertüberschreitung bestimmter ermittelter Parameter aus dem Betrieb der Antriebseinrichtung vorhanden sein und betrieben werden.
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2 zeigt eine Darstellung von ermittelten Frequenzen einer Geräuschanalyse in Abhängigkeit von Drehzahlen der elektrischen Antriebseinrichtung aus dem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die 2 zeigt ein Rainflow-Diagramm in welchem für eine bestimmte Betriebsart aus Messergebnissen, etwa in einem bestimmten Gang und/oder Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebswelle und Schaltgetriebe und/oder Radantriebswelle, mit steigender Drehzahl eine Frequenz-Drehzahl (RPM)-Relation ermittelt werden kann. Dabei ergeben sich Geraden für die jeweiligen konstanten Betriebsarten (etwa für konstante Übersetzungsverhältnisse, etwa bei bestimmter Gangwahl). Die (Resonanz)Frequenzen f in kHz können dann bestimmten Ordnungszahlen zugeordnet werden und die Geräuschquellen aus vorbekannten Relationen bestimmt werden. So können Bereiche besonderer Interesse im Diagramm identifiziert werden, etwa für die in 2 gezeigten Modi mit Ordnungszahlen 24 und 27 (1 und 2). Mit einer veränderten Ansteuerung der elektrischen Maschine über Harmonische des Stroms kann dann die Frequenz der Geräusche und die NVH-Effekte aus den Komponenten dieser Ordnungszahlen verändert, vorzugsweise verringert, werden. In einer Fertigungsphase kann auch eine physische Auslegung dieser Komponenten verändert werden.
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Bereiche besonderer Interesse im Diagramm (helle Puntke) können Bereiche hoher Resonanz darstellen. Die 2 kann als x-Achse die Drehzahlen zeigen (Drehung pro Minute), als y-Achse die Frequenz (in Hz) der Geräusche zeigen und in dritter Dimension, etwa in Farbtiefe entlang der Geraden (nicht gezeigt) eine Geräuschamplitude in dB zeigen.
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3 zeigt eine Darstellung von ermittelten Geräuschamplituden aus einer Geräuschanalyse in Abhängigkeit von Drehzahlen der elektrischen Antriebseinrichtung aus dem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der 3 sind beispielhafte Relationen der ermittelten Geräuschamplituden in dB und in Abhängigkeit von den Drehzahlen der elektrischen Maschine (2D Darstellung) für eine Drehung des Rotorschafts RS, der zweiten Stufe (der Komponenten des Schaltgetriebes) GS2 und der ersten Stufe (der Komponenten der Antriebswelle) GS1 gezeigt, nachdem diese bereits den jeweiligen Ordnungszahlen zugeordnet wurden. Die Linie L1 zeigt eine volle Kraftübertragung (Leistung) der elektrischen Maschine und einen Grenzwert der dabei zu erzielenden Geräuschamplitude. Die Linie L2 zeigt ein vom Nutzer gewünschtes Durchschnittsverhalten (somit eine Ordnungskontur).
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Es können Maximalwerte der Geräuschamplituden über eine bestimmte Drehzahlspanne erkannt werden. Die Maxima können in Abhängigkeit von Betriebszeit (Dauer), Winkellagen der Komponenten, Phasen der Betriebsströme, Phasen der sich drehenden Komponenten zueinander, Rotorphase, Leistung (Anteil) der Maschine oder weiterer Parameter bestimmt und verfolgt werden. Die NVH-Effekte können somit über die Zeit verfolgt werden. Die Leistung kann aus den an der Maschine anliegenden Strömen oder Spannungen bestimmt werden.
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4 zeigt eine Darstellung von ermittelten Geräuschamplituden aus einer Geräuschanalyse in Abhängigkeit von Drehzahlen der elektrischen Antriebseinrichtung aus dem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der 4 sind beispielhafte Relationen der ermittelten Geräuschamplituden in dB und in Abhängigkeit von den Drehzahlen der elektrischen Maschine gezeigt (ähnlich der 3), wobei A1 einen spezifischen Verlauf für ein Vergleichsfahrzeug zeigt und A2 eine zu erzielende akzeptierbare Vorgabe zeigt. Die Kurve D1 zeigt dabei eine Ordnung 24 aus den bereits genannten Beispielen (etwa der 2) ohne eine Ansteuerung mit einer Harmonischen des Stroms HCl und die Kurve D2 zeigt dabei eine Ordnung 24 aus den bereits genannten Beispielen (etwa der 2) mit einer Ansteuerung mit einer Harmonischen des Stroms HCl, wobei deutlich eine Reduzierung der Geräuschamplitude zu erkennen ist. Die Messungen der Geräuschamplituden können gemäß 1 mit einem Sensor erfolgen, wobei auch mehrere Sensoren an bestimmten Stellen (Schaltgetriebe, Antriebswelle, Radantriebswelle und weitere Stellen) anwendbar sein können. Die Harmonische des Stroms kann dabei derart ausgelegt werden, dass resonante Betriebe der Komponenten, etwa des Schaltgetriebes und/oder Pulsierungen des Drehmoments verringert oder verhindert werden können. Es kann also an bestimmten Zeitpunkten, wenn bei bestimmten Ordnungszahlen eine entsprechende bekannte Komponente ein Geräusch erzeugt, die Drehmomentübertrag von der elektrischen Maschine durch eine entsprechend andere Ansteuerung der elektrischen Maschine, insbesondere mit einer entsprechend gewählten Harmonischen des Stroms, variiert werden und die Erzeugung des Geräusches unterbunden oder verringert werden, da die elektrische Maschine ein anderes Drehmoment liefert und die Komponenten sich in diesem Moment anders verhalten können (Kraftübertragung untereinander beeinflussbar). Durch eine solche Minderung der Geräuschamplituden und Drehmomentübertragung kann auch eine Lebensdauer der entsprechenden Komponenten, Reibkontakte, Lötverbindungen und ähnliches verlängert werden. Risiken für einen Ausfall bestimmter Komponenten können durch die verringerte Belastung verringert werden. Eine bestimmte Harmonische kann mit weiteren höheren oder niedrigeren Harmonischen kombiniert werden. Die Ordnung der Harmonischen kann so angesetzt sein, dass diese mit der Ordnungszahl übereinstimmt oder sich zumindest einer bestimmten Ordnungszahl zuordnen lässt. Das Ansteuern mit der Harmonischen kann kontinuierlich oder gelegentlich erfolgen.
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Bei der Messung von Geräuschamplituden kann die Antriebseinrichtung an einem Prüfstand mit Gummielementen an Montagestellen gelagert sein. Als Sensoren können triaxiale Beschleunigungssensoren genutzt werden, etwa auch Mikrophone.
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5 zeigt eine Darstellung von Komponenten einer elektrischen Antriebseinrichtung zur Berücksichtigung in einem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die elektrische Antriebseinrichtung 10 kann eine elektrische Maschine EM aufweisen, dessen Antriebswelle AW über ein Zahnradsystem das Schaltgetriebe GT antreiben kann und über die Zahnräder des Schaltgetriebes GT weiterhin eine Radantriebswelle RW zum Antrieb eines oder mehrerer Räder antreiben kann. Bei Veränderung einer physischen Auslegung der elektrischen Maschine EM und/oder der Antriebswelle AW und/oder des Schaltgetriebes GT können Antriebsgeräusche verringert oder verändert werden. Der Aufbau der Zahnradsysteme kann bekannt sein, etwa die Dimension und die Zahl der Zähne am Zahnrad, ebenso die Massen, Radien, Winkellagen der Zahnräder sowie weitere Parameter je nach Gang des Schaltgetriebes. So kann beispielsweise eine erste Stufe zwischen der Antriebswelle AW und dem Schaltgetriebe eine Übersetzung von 27 auf 94 Zähne aufweisen und ein Schaltverhältnis von 3.48 aufweisen und in einer zweiten Stufe (Kontakt) zwischen dem Schaltgetriebe und der Radantriebswelle RW eine Übersetzung von 21 Zähne auf 79 Zähne aufweisen und ein Schaltverhältnis/Übersetzungsverhältnis von 3.76 aufweisen. Somit kann ein Gesamtübersetzungsverhältnis von 13.10 von elektrischer Maschine auf die Radantriebswelle gegeben sein. Die identifizierten Ordnungen der ermittelten Geräusche und deren Frequenzen können auf die Grundbetriebsart (Grundordnung) des Betriebs der elektrischen Maschine zurückermittelt werden und über vorbestimmte Ordnungen (relativ zu einem Aufbau der elektrischen Maschine und des Schaltgetriebes) die Geräuschquellen aus den Ordnungen ermittelt werden. So kann etwa der Ordnungszahl 6 die Stufe zwei, also das Schaltgetriebe und dessen Zahnräder, zugeordnet werden und die Frequenzen f der Geräusche nach f = (Ordnungszahl * Drehzahl (elektrische Maschine)) / 60 gemessen und nach der Ordnungszahl aufgelöst werden und die vorbestimmte oder vorbekannte Relation zwischen Ordnungszahl und Komponenten der elektrischen Antriebseinrichtung auf die jeweilige Komponente als Geräuschquelle schließen lassen. So können beispielsweise die Ordnungszahlen 8, 16, 24, 32, 40 und 48 einer Radialkraft in der elektrischen Maschine zugeordnet sein, die Ordnungszahl 12, 18 und 24, der Stufe zwei zugeordnet sein, die Ordnungszahl 27 der ersten Stufe zugeordnet sein, die Ordnungszahlen 24 und 48 dabei auch einer Drehmomentschwankung (torque ripple) zugeordnet sein.
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6 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Nach dem Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung erfolgt ein Antreiben S1 einer Antriebswelle und eines Schaltgetriebes über eine elektrische Maschine; ein Detektieren S2 von einem Antriebsgeräusch von der angetriebenen Antriebswelle und/oder vom angetriebenen Schaltgetriebe und ein Ermitteln S3 von einer Frequenz des Antriebsgeräusches mittels einer Sensoreinrichtung; ein Abgleichen S4 des ermittelten Antriebsgeräusches und/oder der ermittelten Frequenz mit einem bekannten Geräuschquellenmuster und dessen Frequenz und Bestimmen einer Quelle des Antriebsgeräusches in der Antriebswelle und/oder dem Schaltgetriebe; und ein Anpassen S5 eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine und/oder der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes und/oder einer physischen Auslegung der elektrischen Maschine und/oder der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes zum Verringern des Antriebsgeräusches.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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