WO2022161704A1 - Verfahren zum ermitteln und verringern von nebengeräuschen im betrieb einer elektrischen antriebseinrichtung und analysesystem zum ermitteln und verringern von nebengeräuschen im betrieb einer elektrischen antriebseinrichtung - Google Patents

Verfahren zum ermitteln und verringern von nebengeräuschen im betrieb einer elektrischen antriebseinrichtung und analysesystem zum ermitteln und verringern von nebengeräuschen im betrieb einer elektrischen antriebseinrichtung Download PDF

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noise
drive
drive shaft
gearbox
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Peter Hajdu
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Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining and reducing background noise during operation of an electric drive device and an analysis system for determining and reducing background noise during operation of an electric drive device.
  • An electrical machine such as an electric motor, and a transmission are typically installed in electrical drive devices, such as those that are designed as an electrical axle, it being possible for the electrical machine to be controlled and operated by power electronics.
  • the driven and partially rotating drive system can exhibit dynamic and NVH (noise, vibration, harshness) behavior.
  • a known method can be used in which a harmonization of the pulsing of the torque by the magnetic fields of the electric machine can be done to modify the operation of the drive, which is called harmonized current injection (harmonic current injection) is known.
  • This can be used when adapting the current oscillation for the power electronics (injection of harmonic currents).
  • the main mechanical sources of vibration can vary widely and can be most effectively controlled by adjusting design and manufacturing properties. Even with an ideal shape, deformation of the drive components (during operation) and tolerances of the components can lead to vibration effects and sources of noise.
  • a manual transmission system may include additional dynamic and N VH effects (noise, vibration, harshness) during operation. Pairs of rollers can produce periodic contact and interference effects and vibrations as well as noise.
  • the goal is to support/provide a cost-effective topology in manufacturing (carriers, bearing seats, covers, mounting areas), to favor cost-effective manufacturing steps, to support dynamic stability of the circuit, the bearing structures and/or the mounting areas, and to promote efficiency of the drive and to reduce thermal losses.
  • the present invention creates a method for determining and reducing background noise during operation of an electric drive device according to claim 1 and an analysis system for determining and reducing background noise during operation of an electric drive device according to claim 10.
  • the idea on which the present invention is based is to specify a method for determining and reducing background noise when operating an electric drive device and an analysis system for determining and reducing background noise when operating an electric drive device, with a cost-effective solution for reducing NVH effects can be achieved, whereby sources of interference can be better localized and under a certain operation of the drive and/or its design the dynamic and N VH effects can be optimized and reduced.
  • a drive shaft and/or a manual transmission is/are driven via an electric machine; detecting a drive noise from the driven drive shaft and/or from the driven gearbox and determining a frequency of the drive noise by means of a sensor device; a comparison of the determined drive noise and/or the determined frequency with a known noise source pattern and/or its frequency and determining a source of the drive noise in the drive shaft and/or the transmission; and adjusting an operating mode of the electric machine and/or the drive shaft and/or the manual transmission and/or a physical layout of the electric Machine and / or the drive shaft and / or the gearbox to reduce the drive noise.
  • N VH effects In the gearbox or the electrical machine, when the components touch each other, such as the gears in pairs of rollers, transient and periodic phenomena can occur and trigger a brief power transmission, which can result in N VH effects.
  • Different types of contact can occur here, for example when gears touch each other straight and over their full width or only on the inside or outside when the position is crooked.
  • the contact areas can also be partially and briefly deformed (elastic).
  • Such NVH effects can be dependent on the rotation of the electrical machine, for example dependent on a basic operation (basic frequency in a pulsed operating mode). In this way, a time variation of the NVH effects, also a delay, can be expressed as a function of the operation of the electric machine.
  • the method can provide a cost-effective solution to meet customer/user requirements in terms of dynamic and NVH specifications, such as through multi-objective resonance harmonization across the electric machine and/or manual transmission.
  • a competitive improvement in the operation and/or production of a drive system can be achieved by an analysis and control system or a corresponding method in order to achieve specifications from a customer/user with regard to dynamic effects and NVH effects, with the electric drive device preferably having an electric axis may affect.
  • the method and the analysis system used which can control or carry out the method, can be operated as a self-adaptive control system.
  • the method can be used to strive for and determine an optimized design with dimensions that are as optimal as possible, and a check can be carried out with regard to the service life of the components and their design to be adapted can be optimized for their service life.
  • the implementation of the method can be based on internal programming of an implementing system (control) and this can be easily adapted if different design variants, controls, operating modes, or requirements for the operation are to be implemented or applied.
  • the electrical machine can be operated at 48 kHz and the output power can be in stages of approximately 15%, 25%, 50%, 75% or 100% as a motor or generator operation.
  • Full power can be achieved at about 1000 - 16000 revolutions and generate about 70 Nm as a motor or - 60 Nm as a generator.
  • the inverter can be operated at a frequency of 9 kHz (switching frequency) and achieve rates of 300 revolutions/second or up to 1000 RPM/s.
  • the electrical machine is controlled with an operating current which has a predetermined fundamental frequency or a predetermined higher harmonic frequency.
  • the predetermined fundamental frequency or a predetermined higher harmonic frequency can be a frequency of the current signal.
  • This mentioned step can take place during a design phase of the drive device.
  • a multi-body finite element analysis and corresponding measurements can be carried out. According to a preferred embodiment of the method, this is taken into account for the operating current with the predetermined fundamental frequency or the predetermined higher harmonic frequency with regard to an operating stage of the drive shaft and/or the manual transmission.
  • the control can be operated by varying the currents to or from the power electronics or how the power electronics itself can be controlled. This control can be done by the harmonics of the current to the electrical machine (from or to) the power electronics.
  • the operating level relates, for example, to a rotational behavior, a gear selection, a selection of the sizes of the gears or similar parameters that can be relevant for power transmission to other components in order to generate N VH effects.
  • the selected current harmonics may take into account a mode of operation and/or design of the gearbox when driven in a manner corresponding to the current from the inverter via the electric machine, and operating characteristics by adjusting the current (resulting rotational frequencies or speeds or power transfers certain components in the manual transmission device at certain harmonics of the current at the inverter of the electrical machine) are influenced. Furthermore, when selecting the corresponding harmonics of the current, an operating characteristic of the electric machine itself can also be taken into account and an NVH characteristic can be influenced, in addition or as an alternative, with an interaction of the machine and manual transmission being able to be taken into account during operation.
  • An analysis of the noise can advantageously be carried out, with an order map (order map) being able to be created, which can include the above orders and can assign them to the determined frequencies of the noise and the associated sources, i.e. the associated information can also include, for example from previously known frequencies (from the components) and/or their noise sources.
  • the order map can include weighted orders, which can have higher or lower weightings than other orders.
  • Each order can correspond to a multiplication by a rotational speed (number of revolutions) of the electric machine by a certain factor, which can then be expressed in Hz as a frequency.
  • the determined (measured) frequencies from the noise analysis can be recorded and the resonance amplitudes can be determined, for example via a sensor device, which can be an acceleration sensor, and the speeds present at this moment in time can also be determined.
  • the NVH behavior can be determined.
  • This data can be captured in a Campbell diagram (rainflow diagram) from which an area or point of increased interest can then be selected.
  • a frequency, order and speed can then be assigned to this point, for example from above relation to frequency.
  • the determined diagram can have corresponding straight lines which show the tracked increase/decrease in frequency in relation to the rotational speed.
  • a frequency-speed relationship observed at a starting point can show a different straight line (with increasing frequency and/or speed) than in a different operating mode of the electrical drive device.
  • a specific speed can be assigned to a specific frequency, which results from the above Relation for this point can result in order.
  • the variation in frequency and/or speed can follow the same straight line in the diagram.
  • the orders can also be determined or defined from a ratio of the gears to one another, the component geometry, a transmission ratio of the manual transmission, or other properties, and can relate to design-relevant variables of components.
  • the Campbell diagram can include a 3-dimensional representation (speed, frequency and amplitude of noise volume) and be transferred to specific order lines in 2 dimensions (speed, amplitude of noise volume).
  • a section cut in the 3D display where a specific frequency can be assigned to a speed and only 2D displays of speed and noise amplitude are displayed, i.e. each graph can correspond to a specific order
  • a contour curve of the Representation of an order curve such as orders and their noise behavior below a predetermined limit value (in relation to this) into account.
  • the source of the drive noise in the drive shaft and/or the gearbox is determined as a function of a degree of basic rotation of the drive shaft and/or the gearbox.
  • the degree of the basic rotation can correspond to an ordinal number which indicates the respective mode of operation in higher orders of the basic rotation of one or more components (e.g. in individual or joint action).
  • a respective operating frequency for the source of the drive noise is assigned to the degree of basic rotation of the drive shaft and/or the manual transmission, and a determined frequency of the drive noise is compared with a known operating frequency and, from this, a component of the drive shaft and/or the manual transmission as the source of the drive noise.
  • the degree may correspond to higher modes of operation and represent them relative to a base rotation, such as in integer or fractional multiples.
  • An operating frequency can be assigned to these, for example from measurement during operation and known to the manufacturer. If a specific frequency is measured during actual operation of the drive device, this can be compared with previously known operating frequencies and the degree of basic rotation can be inferred. It can also be known which forces act at which points and which components interact to generate the respective operating frequency.
  • the respectively determined degree of basic rotation of the drive shaft and/or the manual transmission is provided with a predetermined weighting.
  • a noise analysis of the drive shaft and/or the manual transmission takes place during operation.
  • the drive noise is detected and its frequency is determined by means of an acoustic sensor and/or a vibration sensor and/or an acceleration sensor.
  • the noises can be detected via one or more sensors and can be carried out in a so-called "end-of-line” test after assembly of the drive device or during active operation of the drive device in the vehicle.
  • An analysis of the noises and activation with harmonics of the current can be carried out during a production phase and/or after completion of the finished drive unit in the final test and/or during later maintenance and/or during operation, for example when driving on the road (through self-monitoring of the vehicle), take place, always or occasionally, also during a service inspection of a vehicle.
  • a suitable current can thus be selected for activation in order to extend the service life of the components that generate NVH effects and to reduce the NVH effects.
  • External sensor devices or controls can be used here. More advantageous operation from improved control of the operation of the electrical machine can also increase safety for the operation of the drive device, since the components of the drive device can be operated in a more robust and gentler and more efficient manner.
  • the respective source can be identified for a specific noise and increased wear or stress on this component can be reduced by adjusting the operating mode of the drive device, which can delay its failure and a user can be warned of a possible failure of the component .
  • a defect in a component can also be detected from the noise analysis and this can be reported to the system or the user.
  • an angular shift of a rotor angle and/or a phase shift in an angular position of the rotor is detected.
  • the analysis system for determining and reducing background noise during operation of an electric drive device comprises a drive device which is set up to drive a drive shaft and/or a manual transmission via an electric machine; a detection device, which is set up to detect a drive noise from the driven drive shaft and / or from the driven gearbox and a frequency of the drive noise by means of a to determine sensor device; an evaluation device which is set up to compare the determined drive noise and/or the determined frequency with a known noise source pattern and its frequency and to determine a source of the drive noise in the drive shaft and/or the gearbox; and a control device configured to adapt an operating mode of the electric machine and/or the drive shaft and/or the gearbox and/or a physical configuration of the electric machine and/or the drive shaft and/or the gearbox to reduce drive noise.
  • the analysis system can also be characterized by the features mentioned in connection with the method and its advantages and vice versa.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric drive device in a test setup in a method for determining and reducing background noise according to an exemplary embodiment of the present invention
  • 2 shows a representation of determined frequencies of a noise analysis as a function of rotational speeds of the electric drive device from the method for determining and reducing background noise according to an exemplary embodiment of the present invention
  • 3 shows a representation of determined noise amplitudes from a noise analysis as a function of rotational speeds of the electric drive device from the method for determining and reducing background noise according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a representation of determined noise amplitudes from a noise analysis as a function of rotational speeds of the electric drive device from the method for determining and reducing background noise according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows an illustration of components of an electric drive device for consideration in a method for determining and reducing background noise according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a block diagram of method steps of the method for determining and reducing background noise during operation of an electric drive device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric drive device in a test setup in a method for determining and reducing background noise according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a drive noise from the driven drive shaft and/or from the driven manual transmission can be detected and a frequency of the drive noise can be determined by means of a sensor device AS on a housing of the electrical machine EM on a test bench. Thereafter, in an analysis system, a comparison of the determined Drive noise and / or the determined frequency with a known noise source pattern and / or its frequency and determine a source of the drive noise in the drive shaft and / or the manual transmission.
  • the sensor can include an acceleration sensor.
  • a convergent process flow can take place in the evaluation, for example a warning system for exceeding a limit value of certain determined parameters from the operation of the drive device can also be present and operated.
  • FIG. 2 shows a representation of determined frequencies of a noise analysis as a function of rotational speeds of the electric drive device from the method for determining and reducing background noise according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a rainflow diagram in which a frequency-speed (RPM) relation is determined for a specific operating mode from measurement results, for example in a specific gear and/or transmission ratio between drive shaft and manual transmission and/or wheel drive shaft, with increasing speed can.
  • RPM frequency-speed
  • the (resonance) frequencies f in kHz can then be assigned specific ordinal numbers and the noise sources can be determined from previously known relationships. In this way, areas of particular interest can be identified in the diagram, for example for the modes with ordinal numbers 24 and 27 (1 and 2) shown in FIG.
  • the frequency of the noise and the N VH effects from the components of these ordinal numbers can then be changed, preferably reduced, with a changed control of the electrical machine via harmonics of the current.
  • a physical layout of these components may also be changed at a manufacturing stage.
  • Areas of particular interest on the graph may represent areas of high resonance.
  • 2 can show the speeds (rotations per minute) as the x-axis, the frequency (in Hz) of the noises as the y-axis and a noise amplitude in dB in the third dimension, for example in color depth along the straight line (not shown).
  • 3 shows a representation of determined noise amplitudes from a noise analysis as a function of rotational speeds of the electric drive device from the method for determining and reducing background noise according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 3 are exemplary relationships of the determined noise amplitudes in dB and depending on the speeds of the electric machine (2D representation) for a rotation of the rotor shaft RS, the second stage (the components of the gearbox) GS2 and the first stage (the components the drive shaft) GS1 shown after they have already been assigned to the respective ordinal numbers.
  • the line LI shows a full power transmission (power) of the electrical machine and a limit value of the noise amplitude to be achieved.
  • the line L2 shows an average behavior desired by the user (thus an order contour).
  • Maximum noise amplitude values can be detected over a specific speed range.
  • the maxima can be determined and tracked as a function of the operating time (duration), angular positions of the components, phases of the operating currents, phases of the rotating components in relation to one another, rotor phase, power (share) of the machine or other parameters.
  • the NVH effects can thus be tracked over time.
  • the power can be determined from the currents or voltages applied to the machine.
  • FIG. 4 shows a representation of determined noise amplitudes from a noise analysis as a function of rotational speeds of the electric drive device from the method for determining and reducing background noise according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows exemplary relationships between the determined noise amplitudes in dB and as a function of the speeds of the electrical machine (similar to FIG. 3), where A1 shows a specific curve for a Comparative vehicle shows and A2 shows an acceptable target to be achieved.
  • the curve D1 shows an order 24 from the examples already mentioned (e.g. in FIG. 2) without activation with a harmonic of the current HCl and the curve D2 shows an order 24 from the examples already mentioned (e.g. in FIG. 2) with activation using a harmonic of the current HCl, with a reduction in the noise amplitude being clearly recognizable.
  • FIG. 3 shows exemplary relationships between the determined noise amplitudes in dB and as a function of the speeds of the electrical machine (similar to FIG. 3), where A1 shows a specific curve for a Comparative vehicle shows and A2 shows an acceptable target to be achieved.
  • the curve D1 shows an order 24 from the examples already mentioned (e.g. in FIG. 2) without activation with a harmonic of the current
  • the measurements of the noise amplitudes can be carried out with one sensor, it also being possible for several sensors to be used at certain points (manual transmission, drive shaft, wheel drive shaft and other points).
  • the harmonic of the current can be designed in such a way that resonant operation of the components, such as the manual transmission and/or pulsations of the torque can be reduced or prevented.
  • the torque transmission from the electrical machine can be varied by a correspondingly different activation of the electrical machine, in particular with a correspondingly selected harmonic of the current, and the generation of the noise prevented or reduced because the electric machine delivers a different torque and the components can behave differently at this moment (power transmission can be influenced among themselves).
  • a specific harmonic can be combined with other higher or lower harmonics.
  • the order of the harmonics can be set in such a way that it corresponds to the ordinal number or can at least be assigned to a specific ordinal number.
  • the harmonic drive can be continuous or intermittent.
  • the drive unit When measuring noise amplitudes, the drive unit can be mounted on a test stand with rubber elements at assembly points. Triaxial acceleration sensors can be used as sensors, including microphones.
  • FIG. 5 shows an illustration of components of an electric drive device for consideration in a method for determining and reducing background noise according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the electric drive device 10 can have an electric machine EM whose drive shaft AW can drive the manual transmission GT via a gear system and can also drive a wheel drive shaft RW for driving one or more wheels via the gear wheels of the manual transmission GT.
  • drive noise can be reduced or changed.
  • the structure of the gear systems can be known, such as the dimension and number of teeth on the gear, as well as the masses, radii, angular positions of the gears and other parameters depending on the gear of the gearbox.
  • a first stage between the drive shaft AW and the gearbox can have a translation from 27 to 94 teeth and a shift ratio of 3.48, and in a second stage (contact) between the gearbox and the wheel drive shaft RW, a translation from 21 teeth to 79 teeth and have a gear ratio of 3.76.
  • the identified orders of the determined noises and their frequencies can be determined back to the basic operating mode (basic order) of the operation of the electric machine and the noise sources can be determined from the orders via predetermined orders (relative to a structure of the electric machine and the manual transmission).
  • the ordinal number 6 can be assigned stage two, i.e.
  • f (ordinal number * speed (electrical machine)) / 60 and resolved according to the ordinal number and the predetermined or previously known relation between the ordinal number and components of the electric drive device to the respective component as a noise source.
  • f (ordinal number * speed (electrical machine)) / 60 and resolved according to the ordinal number and the predetermined or previously known relation between the ordinal number and components of the electric drive device to the respective component as a noise source.
  • the atomic numbers 8, 16, 24, 32, 40 and 48 of a radial force in electrical engineering be assigned to the machine, the ordinal number 12, 18 and 24, assigned to stage two, the ordinal number 27 assigned to the first stage, the ordinal numbers 24 and 48 also assigned to a torque fluctuation (torque ripple).
  • FIG. 6 shows a block diagram of method steps of the method for determining and reducing background noise during operation of an electric drive device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a drive shaft and a manual transmission are driven S1 via an electric machine; a detection S2 of a drive noise from the driven drive shaft and/or from the driven gearbox and a determination S3 of a frequency of the drive noise by means of a sensor device; a comparison S4 of the determined drive noise and/or the determined frequency with a known noise source pattern and its frequency and determining a source of the drive noise in the drive shaft and/or the gearbox; and adjusting S5 an operating mode of the electric machine and/or the drive shaft and/or the gearbox and/or a physical design of the electric machine and/or the drive shaft and/or the gearbox to reduce the drive noise.

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung (10), umfassend ein Antreiben (S1) einer Antriebswelle (AW) und eines Schaltgetriebes (GT), ein Detektieren (S2) von einem Antriebsgeräusch von der angetriebenen Antriebswelle (AW) und/oder vom angetriebenen Schaltgetriebe (GT) und Ermitteln (S3) von einer Frequenz des Antriebsgeräusches, ein Abgleichen (S3) des ermittelten Antriebsgeräusches und/oder der ermittelten Frequenz mit einem bekannten Geräuschquellenmuster und Bestimmen einer Quelle des Antriebsgeräusches in der Antriebswelle (AW) und/oder dem Schaltgetriebe (GT); und ein Anpassen (S4) eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine (EM) und/oder der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes (GT) und/oder einer physischen Auslegung der elektrischen Maschine (EM) und/oder der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes (GT) zum Verringern des Antriebsgeräusches.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung und Analysesystem zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung
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.
Stand der Technik
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.
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.
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 N VH- Effekte (Geräusche, Vibrationen, Rauhigkeit) im Betrieb umfassen. Rollenpaare können dabei periodische Kontakt- und Störeffekte und Vibrationen sowie Geräusche erzeugen.
Ausgehend von den genannten Phänomenen ergibt sich der Wunsch eine Harmonisierung der dynamischen und N VH- 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), kosten effektive 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.
In der DE 199 14 228 Al wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren eines akustischen Rauschens bzw. eines akustischen Geräuschs beschrieben, das durch einen elektrischen SR-Motor erzeugt wird. Offenbarung der Erfindung
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.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
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 kosten effektive 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 N VH- Effekte optimiert und verringert werden können.
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.
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 N VH- 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).
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.
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.
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.
Bei der vorbestimmten Grundfrequenz oder einer vorbestimmte höheren harmonischen Frequenz kann es sich um eine Frequenz des Stromsignals handeln.
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. 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.
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 N VH- Effekte zu erzeugen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der jeweils ermittelte Grad der Grundrotation der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes mit einer vorbestimmten Wichtung versehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt eine Geräuschanalyse der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes im Betrieb.
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.
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.
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.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein Detektieren einer Winkelverschiebung eines Rotorwinkels und/oder einer Phasenverschiebung bei einer Winkelposition des Rotors.
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.
Das Analysesystem kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und dessen Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 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;
Fig. 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; Fig. 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;
Fig. 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;
Fig. 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
Fig. 6 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 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.
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.
Fig. 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.
Die Fig. 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 Fig. 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 N VH- Effekte aus den Komponenten dieser Ordnungszahlen verändert, vorzugsweise verringert, werden. In einer Fertigungsphase kann auch eine physische Auslegung dieser Komponenten verändert werden.
Bereiche besonderer Interesse im Diagramm (helle Puntke) können Bereiche hoher Resonanz darstellen. Die Fig. 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. Fig. 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.
In der Fig. 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 LI 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).
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.
Fig. 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.
In der Fig. 4 sind beispielhafte Relationen der ermittelten Geräuschamplituden in dB und in Abhängigkeit von den Drehzahlen der elektrischen Maschine gezeigt (ähnlich der Fig. 3), wobei Al einen spezifischen Verlauf für ein Vergleichsfahrzeug zeigt und A2 eine zu erzielende akzeptierbare Vorgabe zeigt. Die Kurve Dl zeigt dabei eine Ordnung 24 aus den bereits genannten Beispielen (etwa der Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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.
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. Fig. 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.
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.
Fig. 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.
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.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung (10), umfassend die Schritte:
- Antreiben (Sl) einer Antriebswelle (AW) und/oder eines Schaltgetriebes (GT) über eine elektrische Maschine (EM);
- Detektieren (S2) von einem Antriebsgeräusch von der angetriebenen Antriebswelle (AW) und/oder vom angetriebenen Schaltgetriebe (GT) und Ermitteln (S3) von einer Frequenz des Antriebsgeräusches mittels einer Sensoreinrichtung (AS);
- Abgleichen (S3) 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 (AW) und/oder dem Schaltgetriebe (GT);
- Anpassen (S4) eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine (EM) und/oder der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes (GT) und/oder einer physischen Auslegung der elektrischen Maschine (EM) und/oder der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes (GT) zum Verringern des Antriebsgeräusches.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die elektrische Maschine (EM) mit einem Betriebsstrom angesteuert wird, welcher eine vorbestimmte Grundfrequenz oder eine vorbestimmte höhere harmonische Frequenz aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem für den Betriebsstrom mit der vorbestimmten Grundfrequenz oder der vorbestimmten höheren harmonischen Frequenz diese bezüglich einer Betriebsstufe der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Bestimmen der Quelle des Antriebsgeräusches in der Antriebswelle (AW) und/oder dem Schaltgetriebe (GT) in Abhängigkeit von einem Grad der Grundrotation der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes (GT) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem dem Grad der Grundrotation der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes (GT) eine jeweilige Betriebsfrequenz für die Quelle des Antriebsgeräusches zugeordnet wird und eine ermittelte Frequenz des Antriebsgeräusches mit einer bekannten Betriebsfrequenz verglichen wird und daraus auf eine Komponente der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes (GT) als der Quelle des Antriebsgeräusches rückgeschlossen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem der jeweils ermittelte Grad der Grundrotation der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes (GT) mit einer vorbestimmten Wichtung versehen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem eine Geräuschanalyse der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes (GT) im Betrieb erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem das Detektieren (S2) des Antriebsgeräusches und das Ermitteln (S3) von dessen Frequenz mittels eines akustischen Sensors (AS) und/oder eines Vibrationssensors und/oder eines Beschleunigungssensors erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem ein Detektieren einer Winkelverschiebung eines Rotorwinkels und/oder einer Phasenverschiebung bei einer Winkelposition des Rotors erfolgt.
10. Analysesystem zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung (10), umfassend:
- eine Antriebseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine Antriebswelle (AW) und ein Schaltgetriebe (GT) über eine elektrische Maschine (EM) anzutreiben;
- eine Detektionseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein Antriebsgeräusch von der angetriebenen Antriebswelle (AW) und/oder vom angetriebenen Schaltgetriebe (GT) zu detektieren und eine Frequenz des Antriebsgeräusches mittels einer Sensoreinrichtung (AS) 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 (AW) und/oder dem Schaltgetriebe (GT) zu bestimmen; und
- eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, einen Betriebsmodus der elektrischen Maschine (EM) und/oder der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes (GT) und/oder einer physischen Auslegung der elektrischen Maschine (EM) und/oder der Antriebswelle (AW) und/oder des Schaltgetriebes
(GT) zum Verringern des Antriebsgeräusches anzupassen.
PCT/EP2021/086817 2021-01-28 2021-12-20 Verfahren zum ermitteln und verringern von nebengeräuschen im betrieb einer elektrischen antriebseinrichtung und analysesystem zum ermitteln und verringern von nebengeräuschen im betrieb einer elektrischen antriebseinrichtung WO2022161704A1 (de)

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