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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad für ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs.
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Zudem betrifft die Erfindung ein Zahnradgetriebe für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit einem derartigen Zahnrad.
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Ferner ist die Erfindung auf ein Verfahren zur akustischen Auslegung eines Zahnrads sowie eine Verwendung eines Zahnradgetriebes gerichtet.
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Zahnräder und damit ausgestattete Zahnradgetriebe für Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. Gleiches gilt für Verfahren zur akustischen Auslegung von Zahnrädern und die Verwendung eines Zahnradgetriebes. Dabei können die Zahnräder und die damit ausgestatteten Zahnradgetriebe insbesondere in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen verwendet werden.
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Ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug wird in diesem Zusammenhang als ein Kraftfahrzeug verstanden, das zumindest zeitweise mittels eines Elektromotors angetrieben wird. Neben batterieelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen sind somit auch Hybrid-Fahrzeuge, in denen ein Elektromotor als Antrieb verwendet wird, als elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge anzusehen. Gleiches gilt für Kraftfahrzeuge, bei denen der für die elektrischen Antriebsmotoren notwendige Strom mittels einer Brennstoffzelle erzeugt wird.
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Allen diesen Fahrzeugen ist gemeinsam, dass die Elektroantriebe, also der für den Antrieb genutzte Elektromotor und/oder ein zugeordnetes Getriebe, im Betrieb hochfrequente Geräusche erzeugen. Das gilt insbesondere bei schneller Fahrt. Nutzer solcher Kraftfahrzeuge nehmen derartige Geräusche häufig als Pfeif- oder Piep-Geräusche wahr, die sie als unangenehm empfinden. Ferner leiten die Nutzer aus diesen Geräuschen häufig einen Eindruck minderer Qualität ab. Ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug kann aus diesem Grund auf den Nutzer geringwertig wirken.
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Um dieser Problematik zu begegnen, ist es bekannt, während des Betriebs eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs in dessen Innenraum über Lautsprecher Audiodateien abzuspielen und auf diese Weise das vom elektrischen Antriebsmotor ausgehende Betriebsgeräusch dahingehend zu ändern und/oder zu ergänzen, dass sich für den Nutzer des Kraftfahrzeugs in akustischer Hinsicht ein angenehmes Fahrerlebnis ergibt. Der Nutzer soll dabei zusätzlich einen hochwertigen Gesamteindruck des Kraftfahrzeugs erhalten. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Sound Design oder Soundgestaltung. Die hierfür notwendige Erzeugung von akustischen Signalen ist aufwendig, sodass eine leistungsfähige Audioanlage im elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug erforderlich ist. Derartige Audioanlagen sind kostenintensiv.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen alternativen Weg aufzuzeigen, mittels dem ein von einem elektrischen Antriebsstrang ausgehendes Betriebsgeräusch dahingehend geändert und/oder ergänzt werden kann, dass sich für einen Nutzer eines damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs ein angenehmes akustisches Fahrerlebnis ergibt. Der elektrische Antriebsstrang umfasst insbesondere einen elektrischen Antriebsmotor und/oder ein zugeordnetes Getriebe. Dies soll insbesondere kostengünstig erreicht werden. Darüber hinaus soll eine Lösung geschaffen werden, die unabhängig von der Leistungsfähigkeit einer Audioanlage des elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs ist.
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Die Aufgabe wird durch ein Zahnrad der eingangs genannten Art gelöst, bei dem zumindest einer der Zähne des Zahnrads ein Fehlerzahn ist. Dieser weist gegenüber den übrigen Zähnen des Zahnrads zur gezielten Erzeugung eines Betriebsgeräusches einen vergrößerten Drehwegfehler auf.
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Dabei wird unter einem Drehwegfehler eine geometrische Abweichung einer Zahnflanke von ihrer theoretischen Idealkontur verstanden, die dazu führt, dass diese Zahnflanke beim abwälzenden Eingriff mit einer idealen Gegenflanke eines idealen Gegenzahnrads entweder von dieser beabstandet ist, die Zahnflanken also klaffen, oder die Gegenflanke theoretisch durchdringt, die Flanken also unter erhöhtem Druck aneinander anliegen. Es versteht sich, dass diese Abweichungen klein sein können und damit im Bereich von wenigen Zehntel Millimeter oder einigen Mikrometer liegen können. Üblicherweise wird angestrebt, bei Zähnen von Zahnrädern den Drehwegfehler so gering wie möglich zu halten, um einen geräusch- und vibrationsarmen Lauf des Zahnrads zu erreichen.
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Im Gegensatz hierzu wird vorliegend jedoch gezielt an zumindest einem Zahn ein vergrößerter Drehwegfehler eingebracht. Dabei ist die Größe dieses Drehwegfehlers so bemessen, dass sie über die üblichen Schwankungen von im Grunde unerwünschten Drehwegfehlern hinausgeht, die insbesondere bei den übrigen Zähnen des Zahnrads vorliegen. Anders gesagt wird der Drehwegfehler an zumindest einem Zahn so groß gewählt, dass er außerhalb des für die übrigen Zähne geltenden Toleranzbereiches liegt. Durch einen solchen Drehwegfehler entsteht im Betrieb des Zahnrades, also wenn dieses drehend in ein anderes Zahnrad eingreift, ein Betriebsgeräusch, das ein Betriebsgeräusch eines elektrischen Antriebsmotors überlagern und/oder ergänzen kann. Insbesondere ist dabei das mittels des vergrößerten Drehwegfehlers erzeugte Geräusch in einem Frequenzbereich angesiedelt, der tiefer liegt als ein Frequenzbereich eines vom elektrischen Antriebsmotor erzeugten Geräusches. Dies kann dadurch erreicht werden, dass nur ausgewählte Zähne des Zahnrads Fehlerzähne sind. Folglich wird auf einfache und kostengünstige Weise ein akustisch angenehmes Fahrerlebnis generiert. Insbesondere werden hierfür keine spezifischen Zusatzkomponenten benötigt. Auch ist keine Audioanlage notwendig.
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Bevorzugt weisen die Zähne des Zahnrads, die keinen vergrößerten Drehwegfehler aufweisen, keinen Drehwegfehler oder einen Normal-Drehwegfehler auf. Dabei ist unter einem Normal-Drehwegfehler ein Drehwegfehler zu verstehen, der innerhalb eines vorgegebenen Toleranz-Bereichs liegt, der für Zähne angegeben wird, bei denen ein Drehwegfehler im Grunde unerwünscht ist. Die Zähne, die keinen vergrößerten Drehwegfehler aufweisen, haben also im Idealfall überhaupt keinen Drehwegfehler oder einen Drehwegfehler, der deutlich kleiner ist als der gezielt eingebrachte, vergrößerte Drehwegfehler. Von denjenigen Zähnen des Zahnrads, die keinen vergrößerten Drehwegfehler aufweisen, geht somit lediglich ein Betriebsgeräusch von stark untergeordneter Intensität oder Lautstärke aus. Dieses Betriebsgeräusch ist insbesondere gegenüber dem mittels des vergrößerten Drehwegfehlers generierten Betriebsgeräusch vernachlässigbar.
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Gemäß einer Ausführungsform weist eine erste Zahnflanke des zumindest einen Fehlerzahns den vergrößerten Drehwegfehler auf. Eine zweite, der ersten Zahnflanke entgegengesetzte Zahnflanke des zumindest einen Fehlerzahns weist dabei nicht den vergrößerten Drehwegfehler auf, insbesondere weist sie keinen Drehwegfehler oder den Normal-Drehwegfehler auf. Damit wirkt der vergrößerte Drehwegfehler lediglich in einer einzigen Drehrichtung des Zahnrades. In der entgegengesetzten Drehrichtung wirkt kein vergrößerter Drehwegfehler. Somit wird mittels des vergrößerten Drehwegfehlers ein Betriebsgeräusch erzeugt, das gezielt nur bei einer Drehrichtung auftritt.
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Auch können beide Zahnflanken des zumindest einen Fehlerzahns einen vergrößerten Drehwegfehler aufweisen, insbesondere wobei die vergrößerten Drehwegfehler unterschiedlich groß sind. Die vergrößerten Drehwegfehler der beiden Zahnflanken wirken somit jeweils in eine Drehrichtung des Zahnrads. Wenn die Drehwegfehler der beiden Zahnflanken im Wesentlichen gleich groß sind, ergibt sich unabhängig von der Drehrichtung des Zahnrads im Wesentlichen das gleiche Betriebsgeräusch. Wenn die Drehwegfehler unterschiedlich groß sind, ist das Betriebsgeräusch in Abhängigkeit der Drehrichtung unterschiedlich. Es kann folglich das mittels der vergrößerten Drehwegfehler eingestellte Betriebsgeräusch in Abhängigkeit der Drehrichtung gewählt werden.
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In einer Gestaltungsalternative weist das Zahnrad wenigstens einen ersten Fehlerzahn und wenigstens einen zweiten Fehlerzahn mit einem vergrößerten Drehwegfehler auf. Die vergrößerten Drehwegfehler des ersten Fehlerzahns und des zweiten Fehlerzahns sind insbesondere unterschiedlich groß. Wenn am Zahnrad mehrere Fehlerzähne vorgesehen sind, ergibt sich das durch die vergrößerten Drehwegfehler generierte Betriebsgeräusch durch eine Überlagerung der von den verschiedenen Fehlerzähnen generierten Betriebsgeräusche. Somit kann das Betriebsgeräusch des Zahnrads einfach und gezielt gestaltet werden.
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Gemäß einer Variante weist beim ersten Fehlerzahn eine erste Zahnflanke den entsprechenden vergrößerten Drehwegfehler auf und eine zweite, der ersten Zahnflanke entgegengesetzte Zahnflanke des ersten Fehlerzahns keinen vergrößerten Drehwegfehler. Insbesondere weist die zweite Zahnflanke keinen Drehwegfehler oder den Normal-Drehwegfehler auf. Zudem weist beim zweiten Fehlerzahn eine erste Zahnflanke, die in ihrer Orientierung der ersten Zahnflanke des ersten Fehlerzahns entspricht, keinen vergrößerten Drehwegfehler, insbesondere keinen Drehwegfehler oder den Normal-Drehwegfehler auf. Eine zweite, der ersten Zahnflanke entgegengesetzte Zahnflanke des zweiten Fehlerzahns weist den entsprechenden vergrößerten Drehwegfehler auf. Somit wird mittels des ersten Fehlerzahns in einer ersten Drehrichtung ein Betriebsgeräusch erzeugt und mittels des zweiten Fehlerzahns in einer zweiten Drehrichtung, die der ersten Drehrichtung entgegengesetzt ist. Es können somit die in den unterschiedlichen Drehrichtungen bereitgestellten Betriebsgeräusche unabhängig voneinander eingestellt werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist bzw. sind die Zahnflanke oder die Zahnflanken, die einen vergrößerten Drehwegfehler aufweist bzw. aufweisen, gegenüber einer zugeordneten Ursprungskontur ohne vergrößerten Drehwegfehler in Richtung einer Zahnmitte versetzt. Die Zahnflanken mit dem vergrößerten Drehwegfehler sind also gegenüber einer Ursprungskultur zurückversetzt. Dies kann insbesondere durch einen entsprechenden Oberflächenabtrag an der Zahnflanke geschehen. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt dieser 20 bis 30 Mikrometer. Es wird also ausgehend von einer Ursprungskontur des Zahns lediglich dessen Mikrogeometrie verändert. Hierfür können Schleif- oder Fräsverfahren genutzt werden. Die Makrogeometrie bleibt unverändert. Das Einbringen eines vergrößerten Drehwegfehlers ist somit einfach und kostengünstig. Darüber hinaus kann mittels standardmäßiger Bearbeitungsmaschinen ein präziser Oberflächenabtrag erfolgen, sodass sich der vergrößerte Drehwegfehler genau einstellen lässt.
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Das Zahnrad kann auch mehrere Fehlerzähne aufweisen und die Gesamtheit der Zähne des Zahnrads kann in Zahngruppen untergliedert sein, wobei jede Zahngruppe zumindest einen der Fehlerzähne aufweist, insbesondere wobei die Fehlerzähne die gleiche zahngruppeninterne Position haben. Indem mehrere Fehlerzähne vorgesehen sind, wird das mittels des Zahnrads erzeugte Betriebsgeräusch als Überlagerung der einzelnen, aus den Drehwegfehlern der Fehlerzähne resultierenden Geräusche generiert. In diesem Zusammenhang können die Zähne des Zahnrads gedanklich in Zahngruppen untergliedert sein, die insbesondere die gleiche Anzahl an Zähnen umfassen. In jeder der Zahngruppen kann bzw. können ein Fehlerzahn oder mehrere Fehlerzähne vorgesehen sein. Insbesondere können in einem Fall, in dem jede der Zahngruppen die gleiche Anzahl an Fehlerzähnen aufweist, die Fehlerzähne die gleiche zahngruppeninterne Position aufweisen. Hierzu werden die Zähne der einzelnen Zahngruppen in einer Drehrichtung des Zahnrads nummeriert. Diejenigen Zähne, die die gleiche Nummer haben, weisen auch die gleiche zahngruppeninterne Position auf. Es ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, das mittels des Zahnrads generierte Betriebsgeräusch gezielt zu gestalten.
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Ein beispielhaftes Zahnrad hat 25 Zähne. Diese können in fünf Zahngruppen zu je fünf Zähnen unterteilt werden. Entlang einer Drehrichtung des Zahnrades sind in jeder der fünf Zahngruppen die Zähne zudem nacheinander nummeriert. Dann kann in jeder Zahngruppe der jeweils erste Zahn einen vergrößerten Drehwegfehler aufweisen. Mit Bezug auf eine Rotationsgeschwindigkeit oder Drehfrequenz des Zahnrads ergibt sich somit eine sogenannte fünfte Ordnung als durch die Drehwegfehler generiertes Betriebsgeräusch, da am Umfang des Zahnrads insgesamt fünf Fehlerzähne vorgesehen sind, die am Umfang gleichverteilt sind. Es können alternativ in jeder Zahngruppe der erste und der zweite Zahn mit einem vergrößerten Drehwegfehler ausgestattet sein. Dann ergibt sich die bereits erwähnte fünfte Ordnung ausgehend von den ersten Fehlerzähnen und zusätzlich eine Oberwelle, die aus den jeweils zweiten Fehlerzähnen jeder Zahngruppe resultiert. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass die zahngruppeninterne Position der Fehlerzähne nicht übereinstimmt, also zum Beispiel in der ersten Zahngruppe der erste Zahn ein Fehlerzahn ist, in der zweiten Zahngruppe der zweite Zahn ein Fehlerzahn ist und in einer dritten Zahngruppe der dritte Zahn, etc. Auch kann sich die Anzahl an Fehlerzähnen von Zahngruppe zu Zahngruppe unterscheiden.
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Vorteilhafterweise ist der Drehwegfehler des wenigstens einen Fehlerzahns derart gewählt, dass ein gewünschtes Betriebsgeräusch in Abhängigkeit einer mittels des Zahnrads übertragenen Leistung und/oder in Abhängigkeit eines Betriebsparameters eines Zahnradgetriebes und/oder in Abhängigkeit eines extern vorgegebenen Parameters bereitgestellt wird. Eine mittels des Zahnrads übertragene Leistung impliziert ein mittels des Zahnrads übertragenes Drehmoment und/oder eine Drehzahl des Zahnrads. Aus dem übertragenen Drehmoment resultiert wiederum eine Kraft auf den Fehlerzahn. Je nach Größe dieser Kraft und je nach Drehzahl des Zahnrades ergibt sich ein anderes, mittels des Fehlerzahns generiert Betriebsgeräusch. Es ist somit von der mittels des Zahnrads übertragene Leistung abhängig und unterscheidet sich insbesondere in einem Teillastbetrieb und einem Volllastbetrieb. Ein Betriebsparameter des Zahnradgetriebes ist beispielsweise eine eingelegte Übersetzungsstufe, bei der das Zahnrad verwendet wird. Extern vorgegebene Parameter können aus einem vorgegebenen Fahrmodus, z. B. Sportmodus oder Spritsparmodus, oder einer Gaspedalstellung resultieren. Dabei wird über die Gaspedalstellung mittelbar die mittels des Zahnrads übertragenen Leistung beeinflusst. Ein Fahrmodus kann das Schaltverhalten beeinflussen und wirkt somit zumindest mittelbar auf die eingelegte Übersetzungsstufe und/oder die übertragene Leistung. Indem das Betriebsgeräusch die genannten Abhängigkeiten aufweist, ergibt sich ein akustisch angenehmes Fahrerlebnis.
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Außerdem wird die Aufgabe durch ein Zahnradgetriebe der eingangs genannten Art gelöst, das zumindest ein erfindungsgemäßes Zahnrad umfasst. Wie bereits erwähnt, wird das Zahnradgetriebe bevorzugt in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen verwendet. So kann ein vom für den Antrieb genutzten Elektromotor erzeugtes Geräusch ergänzt und/oder überlagert werden, sodass ein akustisch angenehmes Fahrerlebnis resultiert. Eine Audioanlage ist für diese Zwecke nicht notwendig.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren der eingangs genannten Art zur akustischen Auslegung eines Zahnrads gelöst, wobei zumindest ein Zahnrad vorgesehen wird und zumindest einer der Zähne des Zahnrads ein Fehlerzahn ist, der gegenüber den übrigen Zähnen des Zahnrads mit einem vergrößerten Drehwegfehler versehen wird, um im Betrieb des Zahnrads gezielt ein Betriebsgeräusch zu erzeugen. Im Rahmen der akustischen Auslegung wird dem Zahnrad also ein solcher Drehwegfehler eingeprägt, der im Betrieb des Zahnrads für ein Geräusch sorgt, das andere Betriebsgeräusche in gewünschter Weise ergänzt und/oder überlagert. Hierfür wird beispielsweise ein Zahnrad oder ein Getriebe mit wenigstens einem Zahnrad bereitgestellt, wobei das Zahnrad bzw. die Zahnräder des Getriebes keinen Fehlerzahn und/oder keinen Drehwegfehler oder einen Normal-Drehwegfehler aufweisen. Die akustische Auslegung umfasst somit insbesondere das gezielte Einbringen des bereits erläuterten Drehwegfehlers.
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Es versteht sich, dass im Rahmen der akustischen Auslegung auch mehrere Zähne eines Zahnrads als Fehlerzähne gestaltet werden können. Das Verfahren betrifft also auch die Auswahl einer Anzahl an Fehlerzähnen sowie die Festlegung, welche Zähne des Zahnrads zu Fehlerzähnen werden sollen.
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Der zumindest eine Fehlerzahn kann mit dem vergrößerten Drehwegfehler versehen werden, indem eine mit dem vergrößerten Drehwegfehler zu versehende Zahnflanke gegenüber einer zugeordneten Ursprungskontur ohne vergrößerten Drehwegfehler, insbesondere ohne Drehwegfehler oder mit dem Normal-Drehwegfehler, in Richtung einer Zahnmitte versetzt wird. Hierzu kann an der entsprechenden Zahnflanke ein Oberflächenabtrag erfolgen, zum Beispiel im Rahmen eines Nachbearbeitungsschritts. Insbesondere werden von der Oberfläche 20 bis 30 Mikrometer abgetragen.
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Dieser Oberflächenabtrag erfolgt an allen mit einem vergrößerten Drehwegfehler zu versehenden Zahnflanken. Insbesondere kann dabei an einem Fehlerzahn lediglich eine einzige Zahnflanke mit einem vergrößerten Drehwegfehler versehen werden. Alternativ ist es möglich, beide Zahnflanken eines Fehlerzahns mit einem Drehwegfehler zu versehen. Auch können mehrere Fehlerzähne an einem Zahnrad vorgesehen sein, bei denen jeweils eine oder beide Zahnflanken mit einem vergrößerten Drehwegfehler ausgestattet werden.
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Das Verfahren kann auch zur akustischen Auslegung eines Zahnradgetriebes für ein Kraftfahrzeug verwendet werden. Im Unterschied zur zuvor beschriebenen akustischen Auslegung eines einzelnen Zahnrades werden dann alle im Zahnradgetriebe vorhandenen Zahnräder als Gesamtheit ausgelegt, wobei auch die zwischen den Zahnrädern bestehenden Wechselwirkungen und der zugehörige Effekt auf das erzeugte Betriebsgeräusch berücksichtigt werden.
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Weiter wird die Aufgabe durch die Verwendung eines Zahnradgetriebes, insbesondere eines erfindungsgemäßen Zahnradgetriebes, als Schallerzeuger zur gezielten Bereitstellung eines Betriebsgeräusches gelöst. Das Zahnradgetriebe kann in diesem Zusammenhang auch als „Sound Generator“ bezeichnet werden und ist insbesondere mit einem Zahnrad versehen, das einen vergrößerten Drehwegfehler aufweist. Das Zahnradgetriebe wird also dafür genutzt, ein gewünschtes Betriebsgeräusch zu generieren. Es dient somit dem sogenannten „Sound Design“. Eine Audioanlage ist hierfür nicht notwendig. Es ergibt sich ein akustisch angenehmes Fahrerlebnis für einen Nutzer eines mit einem solchen Zahnradgetriebe ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
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Vorzugsweise wird das Betriebsgeräusch in Abhängigkeit einer mittels des Zahnradgetriebes übertragenen Leistung und/oder in Abhängigkeit eines Betriebsparameters des Zahnradgetriebes und/oder in Abhängigkeit eines extern vorgegebenen Parameters bereitgestellt. Wie bereits erläutert, wird ein Betriebsgeräusch, das die genannten Abhängigkeiten aufweist, als besonders angenehm empfunden. Das ist insbesondere auf die vergleichsweise tiefen Frequenzen des erzeugten Betriebsgeräusches zurückzuführen.
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Die zum Zahnrad beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten gleichermaßen für das Zahnradgetriebe, das Verfahren sowie die Verwendung und umgekehrt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:
- - 1 ein erfindungsgemäßes Zahnrad gemäß einer ersten Ausführungsform, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens akustisch ausgelegt wurde,
- - 2 ein erfindungsgemäßes Zahnrad gemäß einer zweiten Ausführungsform, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens akustisch ausgelegt wurde,
- - 3 ein erfindungsgemäßes Zahnrad gemäß einer dritten Ausführungsform, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens akustisch ausgelegt wurde,
- - 4 ein erfindungsgemäßes Zahnrad gemäß einer vierten Ausführungsform, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens akustisch ausgelegt wurde,
- - 5 ein erfindungsgemäßes Zahnradgetriebe mit einem erfindungsgemäßen Zahnrad, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens akustisch ausgelegt wurde und als Schallerzeuger zur gezielten Bereitstellung eines Betriebsgeräusches verwendet wird.
- - 6 ein Diagramm, in dem Frequenzen f von Betriebsgeräuschen verschiedener Ursprünge in Abhängigkeit einer Drehzahl n eines Antriebs illustriert sind,
- - 7 ein Diagramm, in dem ein einheitsloser Drehwegfehler in Abhängigkeit einer Last L aufgetragen ist, und
- - 8 den einer Zahnflanke zugeordneten Drehwegfehler in einer allgemeingültigen Form.
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In der 1 ist ein Zahnrad 10 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt, das um eine Mittelachse A drehbar ist und einen einzigen Fehlerzahn 12 aufweist.
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Dieser weist eine erste Zahnflanke 14 und eine zweite Zahnflanke 16 auf, wobei die erste Zahnflanke 14 in einer mittels eines Pfeils symbolisierten Drehrichtung 18 vorne liegt und die zweite Zahnflanke 16 hinten.
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Die erste Zahnflanke 14 weist dabei einen vergrößerten Drehwegfehler auf, der dadurch begründet ist, dass die erste Zahnflanke 14 gegenüber einer zugeordneten Ursprungskontur 20, die lediglich gestrichelt dargestellt ist und keinen vergrößerten Drehwegfehler aufweist, in Richtung einer Zahnmitte versetzt ist.
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Dabei ist die Tatsache, dass die Ursprungskontur 20 keinen vergrößerten Drehwegfehler aufweist, dahingehend zu verstehen, dass die Ursprungskontur entweder überhaupt keinen Drehwegfehler oder einen Normal-Drehwegfehler aufweist.
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Die übrigen Zähne 22 des Zahnrads 10 weisen ebenfalls überhaupt keinen Drehwegfehler oder einen Normal-Drehwegfehler auf.
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Ein Drehwegfehlers F ist darüber hinaus in allgemeiner Form in 8 illustriert, in der ein vergrößerter Ausschnitt des Zahnrads 10 aus 1 mit einem der Zähne 22 und dem Fehlerzahn 12 zu sehen ist.
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Eine zweite Ausführungsform des Zahnrads 10 ist in 2 gezeigt.
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Auch dieses Zahnrad ist um die Mittelachse A drehbar und weist einen einzigen Fehlerzahn 12 auf.
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Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind nun jedoch sowohl die erste Zahnflanke 14 als auch die zweite Zahnflanke 16 des Fehlerzahns 12 mit einem vergrößerten Drehwegfehler versehen.
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Dementsprechend ist die erste Zahnflanke 14 wieder gegenüber der Ursprungskontur 20 in Richtung der Zahnmitte versetzt.
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Die zweite Zahnflanke 16 ist gegenüber einer Ursprungskontur 24, die lediglich gestrichelt dargestellt ist und keinen vergrößerten Drehwegfehler aufweist, in Richtung einer Zahnmitte versetzt.
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Die übrigen Zähne 22 des Zahnrads 10 weisen wieder keinen Drehwegfehler oder einen Normal-Drehwegfehler auf.
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Die Drehwegfehler der beiden Zahnflanken 14, 16 sind dabei im Wesentlichen gleich groß dargestellt, können jedoch genauso unterschiedlich groß sein.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Zahnrads 10.
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Diese weist neben dem ersten Fehlerzahn 12, der entsprechend der ersten Ausführungsform ausgebildet ist (siehe 1), noch einen zweiten Fehlerzahn 26 auf.
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Der zweite Fehlerzahn 26 weist eine in der Drehrichtung 18 vorne liegende erste Zahnflanke 28 und eine in der Drehrichtung 18 hinten liegende zweite Zahnflanke 30 auf.
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Dabei entspricht die erste Zahnflanke 28 hinsichtlich der Drehrichtung 18 der ersten Zahnflanke 14 des ersten Fehlerzahns 12 und die zweite Zahnflanke 30 der zweiten Zahnflanke 16 des ersten Fehlerzahns 12.
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Es ist jedoch lediglich die zweite Zahnflanke 30 mit einem vergrößerten Drehwegfehler versehen. Die erste Zahnflanke 28 hat keinen Drehwegfehler oder einen Normal- Drehwegfehler.
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In diesem Zusammenhang ist die zweite Zahnflanke 30 gegenüber einer zugeordneten Ursprungskontur 32 in Richtung einer Zahnmitte des Fehlerzahns 26 versetzt.
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Die Drehwegfehler der beiden Fehlerzähne 12, 26 sind dabei im Wesentlichen gleich groß dargestellt, können jedoch genauso unterschiedlich groß sein.
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In 4 ist eine vierte Ausführungsform des Zahnrads 10 gezeigt, das insgesamt drei Fehlerzähne 34, 36, 38 aufweist.
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Der erste Fehlerzahn 34 weist dabei eine erste Zahnflanke 40 und eine zweite Zahnflanke 42 auf, wobei die erste Zahnflanke 40 in der Drehrichtung 18 vorne liegt und die zweite Zahnflanke 42 hinten.
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Ferner liegt eine erste Zahnflanke 44 des zweiten Fehlerzahns 36 in der Drehrichtung 18 vorne und eine zugehörige zweite Zahnflanke 46 hinten.
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Am dritten Fehlerzahn 38 ist ebenfalls eine erste Zahnflanke 48 vorgesehen, die in der Drehrichtung 18 vorne liegt und eine zweite Zahnflanke 50, die in der Drehrichtung 18 hinten liegt.
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Bei allen Fehlerzähnen 34, 36, 38 sind die jeweils in der Drehrichtung 18 hinten liegenden Zahnflanken 42, 46, 50 mit einem vergrößerten Drehwegfehler versehen. Diese kommen somit zum Einsatz, wenn das Zahnrad 10 sich in einer der Drehrichtung 18 entgegengesetzten Drehrichtung dreht.
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Die Zahnflanken 42, 46, 50 sind jeweils gegenüber einer zugeordneten Ursprungskontur in Richtung einer Zahnmitte versetzt, wie bereits im Zusammenhang mit den 1 bis 3 erläutert wurde. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind jedoch die Ursprungskonturen der Zahnflanken 42, 46, 50 in 4 ohne Bezugszeichen dargestellt.
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Am Zahnrad 10 gemäß der vierten Ausführungsform sind zudem die insgesamt zwölf Zähne in drei Zahngruppen 52, 54, 56 unterteilt, die jeweils vier Zähne umfassen.
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Werden die Zähne jeder der Zahngruppen 52, 54, 56 entlang der Drehrichtung 18 nummeriert, ist somit der dritte Zahn jeder Zahngruppe 52, 54, 56 als Fehlerzahn 34, 36, 38 gestaltet. Mit anderen Worten weisen die Fehlerzähne 34, 36, 38 die gleiche zahngruppeninterne Position auf.
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Es versteht sich, dass die allgemeine Darstellung des Drehwegfehlers F in 8 sinngemäß auch für alle Fehlerzähne 12, 26, 34, 36, 38 der Zahnräder 10 aus den 2 bis 4 gilt.
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Jedes der Zahnräder 10 aus den 1 bis 4 kann in einem Zahnradgetriebe 58 verwendet werden, das in 5 lediglich schematisch dargestellt ist.
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Neben dem Zahnrad 10 weist das Zahnradgetriebe 58 noch ein Zahnrad 60 auf, das mit dem Zahnrad 10 kämmt.
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Dabei kann das Zahnrad 60 ausschließlich Zähne ohne Drehwegfehler oder mit einem Normal-Drehwegfehler umfassen. Alternativ sind auch am Zahnrad 60 Fehlerzähne vorgesehen, die gemäß der Fehlerzähne 12, 26, 34, 36, 38 aus den 1 bis 4 ausgebildet sein können.
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Die Zahnräder 10, 60 können jeweils auf einer nicht näher dargestellten Zwischenwelle des Zahnradgetriebes 58 sitzen. Alternativ hierzu kann eines der Zahnräder auf einer Getriebeeingangswelle sitzen und das andere auf einer Getriebeausgangswelle oder einer Zwischenwelle. Auch ist es möglich, dass eines der Zahnräder auf einer Getriebeausgangswelle sitzt und das andere auf einer Zwischenwelle.
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Der an den Fehlerzähnen 12, 26, 34, 36, 38 vorgesehene Drehwegfehler bewirkt, dass das Zahnrad 10 im Betrieb, also wenn es mit einem anderen Zahnrad kämmt, zu Schwingungen angeregt wird, die in einem Betriebsgeräusch resultieren. Dieses Betriebsgeräusch geht in seiner Intensität, d.h. Lautstärke, deutlich über dasjenige Geräusch hinaus, das beim aneinander Abwälzen von Zähnen ohne Drehwegfehler oder mit einem Normal-Drehwegfehler auftritt.
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Dieser Effekt wird genutzt, um mittels des Drehwegfehlers gezielt ein Betriebsgeräusch zu erzeugen.
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Ein Verfahren zur akustischen Auslegung des Zahnrads 10 besteht daher darin, zunächst ein Zahnrad ohne Drehwegfehler oder mit einem Normal-Drehwegfehler bereitzustellen.
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Darauf folgend wird bzw. werden gezielt ein Fehlerzahn 12 oder mehrere Fehlerzähne 12, 26, 34, 36, 38 bestimmt und eine zugeordnete Zahnflanke gegenüber einer zugeordneten Ursprungskontur ohne Drehwegfehler in Richtung einer Zahnmitte versetzt.
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Im Beispiel gemäß 1 und 8 wird also die Zahnflanke 14 gegenüber der Ursprungskontur 20 versetzt.
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Dies kann dadurch erfolgen, dass die Ursprungskontur 20 abgeschliffen oder abgefräst wird.
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Somit entsteht der Fehlerzahn 12 mit einem vergrößerten Drehwegfehler F. Bei den übrigen Zähnen werden die Zahnflanken nicht bearbeitet.
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Für die Ausführungsformen aus den 2 bis 4 ist dieses Verfahren in analoger Weise anwendbar.
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Auch kann das Verfahren dafür verwendet werden, ein Zahnradgetriebe, insbesondere das Zahnradgetriebe 58 akustisch auszulegen.
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Dafür wird zumindest ein Zahnrad 10 des Zahnradgetriebes 58 entsprechend der vorstehenden Erläuterungen mit einem vergrößerten Drehwegfehler F versehen. Ebenso können mehrere oder sogar alle Zahnräder 10, 60 des Zahnradgetriebes 58 mit einem vergrößerten Drehwegfehler F ausgestattet werden.
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Es ergibt sich somit ein gezielt erzeugtes Betriebsgeräusch des Zahnradgetriebes 58 als Kombination aller gezielt erzeugten Betriebsgeräusche der einzelnen Zahnräder 10, die aus einem vergrößerten Drehwegfehler F resultieren.
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Es wird somit das Zahnradgetriebe 58 als Schallerzeuger zur Bereitstellung eines Betriebsgeräusches verwendet.
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Das Betriebsgeräusch ist in 6 als von einer Motordrehzahl n abhängiger Frequenzbereich 62 illustriert.
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Zum Vergleich ist mit dem Frequenzbereich 64 auch ein Betriebsgeräusch eines konventionellen Zahnradgetriebes illustriert, das ausschließlich Zahnräder ohne vergrößerten Drehwegfehler aufweist.
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Ferner ist als weiterer Vergleich ein Frequenzbereich 66 dargestellt, der das Betriebsgeräusch eines Elektromotors illustriert.
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Es ist ersichtlich, dass die Frequenz f aller Betriebsgeräusche mit zunehmender Drehzahl n ansteigt. Jedoch liegt der Frequenzbereich 62 hinsichtlich der von ihm umfassten Frequenzen f stets unterhalb der Frequenzbereiche 64, 66. Das aus dem Zahnradgetriebe 58 mit dem Zahnrad 10, das einen vergrößerten Drehwegfehler F aufweist, resultierende Betriebsgeräusch ist somit tieffrequenter als die übrigen Betriebsgeräusche.
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Dabei ändert sich das Betriebsgeräusch auch mit der Größe des mittels der Zahnräder 10, 60 übertragenen Drehmoments und der Drehzahl der Zahnräder 10, 60. Das Betriebsgeräusch ist somit von einer mittels des Zahnradgetriebes 58 übertragenen Leistung abhängig. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der anliegenden Last.
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Dies ist im Diagramm der 7 illustriert, wobei eine positive Last L einer Vorwärtsfahrt entspricht und eine negative Last L einer Rückwärtsfahrt oder einem Rekuperationsbetrieb.
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Der Lastbereich L0 stellt dabei einen Grundlastbereich dar. Dementsprechend ist der lastabhängige Drehwegfehler vergleichsweise gering und es resultiert ein Betriebsgeräusch mit einer vergleichsweise geringen Lautstärke. Der Drehwegfehler steigt in einem Teillastbereich L1 weiter an. Das Betriebsgeräusch wird dadurch lauter.
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In einem an den Teillastbereich L1 anschließenden Volllastbereich L2 findet eine weitere Erhöhung des Drehwegfehlers statt. Gleiches gilt für die Lautstärke.
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Das gilt sinngemäß auch für den Bereich negativer Lasten, in den sich der Grundlastbereich L0 ebenfalls erstreckt. Ausgehend hiervon vergrößern sich der Drehwegfehler und die Lautstärke des Betriebsgeräuschs auch in einem negativen Teillastbereich L3.
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In einem Zahnradgetriebe, das mehrere Zahnradpaarungen aufweist, resultiert ein Betriebsgeräusch stets nur aus denjenigen Zahnradpaarungen, die im Leistungsfluss ineinander eingreifen. Die übrigen Zahnradpaarungen generieren kein oder ein hinsichtlich seiner Lautstärke vernachlässigbares Betriebsgeräusch. Das Betriebsgeräusch ist also auch vom Schaltzustand, allgemeiner gesprochen von Betriebsparametern des Zahnradgetriebes abhängig.
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Ein übertragenes Drehmoment des Zahnradgetriebes, eine Drehzahl einzelner Zahnräder und/oder ein Schaltzustand des Zahnradgetriebes werden zumindest indirekt auch durch eine Gaspedalstellung und/oder einen Fahrmodus des Kraftfahrzeugs beeinfluss, in dem das Zahnradgetriebe verbaut ist. Somit ist das Betriebsgeräusch auch von solchen extern vorgegebenen Parametern abhängig.
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Mit Blick auf das im Zahnradgetriebe 58 vorhandene Zahnrad 10 ist somit der Drehwegfehler F des Fehlerzahns 12 (siehe 1) so gewählt, dass das gewünschte Betriebsgeräusch mit den bereits für das Zahnradgetriebe genannten Abhängigkeiten bereitgestellt wird.
