Rasselgeräuschminimierung von Fahrzeuggetrieben durch Getriebeöle

Abstract

In Fahrzeuggetrieben mit Stirnradverzahnungen (z.B. Handschaltgetriebe, automatisierte Schaltgetriebe, Doppelkupplungsgetriebe) treten wegen der Drehschwingungsanregung durch den Verbrennungsmotor störende Klapper- und Rasselgeräusche auf, die durch Schwingungen von unbelasteten Losteilen, wie Losräder, Synchronringe und Schaltmuffen, innerhalb ihrer Spiele verursacht werden. Zur Minimierung dieser Geräusche wurden individuelle Getriebeöle entwickelt, die gleichzeitig ein geringes Verlustmoment erzeugen. Die Möglichkeiten, ein Getriebeöl für den Einsatz im Handschaltgetriebe aus vorhandenen Grundflüssigkeiten und Additiven zu formulieren, werden vorgestellt.

Das Rasselgeräuschverhalten eines Handschaltgetriebes für Front-Quer-Antrieb im Zugbetrieb wurde mit den entwickelten Getriebeölen auf einem Rasselgeräuschprüfstand untersucht. Ein wasserlösliches Polyalkylenglykol zeigte in den Messungen eine Reduktion des Schalldruckpegels um 4 dB(A) gegenüber der Serienbefüllung bei fast identischer Ölviskosität. Derartige Grundflüssigkeiten sind aber für den Einsatz in Fahrzeuggetrieben ungeeignet, da sie eine wasseranziehende Wirkung haben und dadurch Korrosion auftreten kann. Verlustmomentmessungen des Handschaltgetriebes zeigten zudem eine Verbesserung des Getriebewirkungsgrads bei Verwendung des wasserlöslichen Polyalkylenglykols. Ein verbesserter Wirkungsgrad konnte vor allem im belasteten Zustand nachgewiesen werden, da hier die lastabhängigen Zahnreibungsverluste dominieren und diese maßgeblich durch den Reibwert des Getriebeöls bestimmt werden. Der Einsatz eines Getriebeöls mit niedrigem Reibwert bringt hier eine wesentliche Optimierung sowohl des Wirkungsgrads als auch der Rasselgeräuschemission mit sich.

Praxisrelevante Getriebeölformulierungen wurden mit einem Hydrocrackgrundöl und hohen Konzentrationen von bestimmten Polyalkylmethacrylaten als Viskositätsindex-Verbesserer gefunden. Gewisse Polyalkylmethacrylate können dicke Grenzschmierfilme durch Adsorption von polaren Gruppen bilden. Damit wurde eine Rasselgeräuschreduktion des Getriebes von 2 dB(A) erreicht. Reibwertveränderer, z.B. auf Basis von Molybdän-Dialkyldithiocarbamat, die im Bereich der Grenz- und Mischreibung wirken, tragen ebenfalls dazu bei ein niedriges Geräuschniveau zu erreichen.

Um das Rasselgeräuschverhalten der Serienbefüllung und des wasserlöslichen Polyalkylenglykols weiter zu untersuchen, wurde ein einstufiges Prüfgetriebe entwickelt und am Rasselgeräuschprüfstand in Betrieb genommen. Es wurden die Phänomene Verzahnungs- und Synchronringrasseln getrennt voneinander untersucht, um die wesentlichen Einflussparameter für die Geräuschentstehung zu ermitteln. Beim Verzahnungsrasseln im geschalteten Zustand konnte eine Rasselgeräuschdämpfung mit dem wasserlöslichen Polyalkylenglykol nur bei Verwendung einer Schrägverzahnung festgestellt werden. Daher ist der hydrodynamische Schmierfilmaufbau im Zahneingriff für die Rasselgeräuschentstehung ausschlaggebend. Ein höheres Verlustmoment bei Einsatz des wasserlöslichen Polyalkylenglykols ist folglich nicht für geringere Rasselgeräuschpegel verantwortlich.

Die Untersuchung der Drehwegabweichung beim Verzahnungsrasseln ergab, dass die auftretenden Rasselstöße zu einer elastischen Verformung der eingreifenden Zahnpaare führen. Es herrschen bei einem Verzahnungsstoß hohe Zahnkräfte, die Hertzsche Abplattung der Zahnflanken und eine Viskositätssteigerung des Öls mit dem Druck (elastohydrodynamische Schmierung) hervorrufen. Elastische Verformungen der Zahnflanken führen zu Abweichungen vom Verzahnungsgesetz. Dadurch entstehen zusätzliche Eintrittsstöße, die die Intensität des Körperschallpegels und damit des emittierten Rasselgeräuschs maßgeblich beeinflussen. Beim Einsatz des wasserlöslichen Polyalkylenglykols treten diese Eintrittsstöße nicht auf, was das günstige Rasselgeräuschverhalten dieser Ölsorte erklärt.

The following thesis describes the development of gear oils for automotive transmissions with low noise emissions and high efficiency. Caused by downsizing and downspeeding of internal combustion engines, the torque fluctuation at the crankshaft induces torsional vibrations in the powertrain that it is connected to. Manual transmissions, automated manual transmissions and dual clutch transmissions are particularly sensitive to so-called gear-rattle noise. Gear-rattle noise arises from oscillations of loose parts with clearance, e.g. idler gears, synchronizer rings and gearshift sleeves.

Gear oil is considered as a machine component that influences the beginning and damping of loose part oscillations within their clearance. The aim of this research is the formulation of a gear oil with excellent lubrication film thickness properties for the application in a five-speed manual transmission. Acoustic measurements on a gear-rattle noise test bench verify the noise reduction of newly developed gear oils with commonly used low oil viscosity. Water soluble polyalkylenglycols as base fluids are capable of reducing the gear-rattle noise level by up to 4 dB(A) in first gear. The addition of certain polyalkylmethacrylates as viscosity index improvers in high concentration to hydrocracked mineral base oils yields up to 2 dB(A) in noise reduction. In addition friction modifiers can help to reduce the gear-rattle noise level of automotive transmissions, for instance the solid lubricant additive molybdenum-dialkyldithiocarbamate.

Drag torque measurements show improvements on the transmission efficiency under loading and idle conditions with a water soluble polyalkylenglycol. Novel methods for testing the flow characteristics, as well as the spreading and traction of gear oils are introduced. The test results correlate well with the findings of the gear-rattle noise measurements. Gear oils with low traction coefficients in mixed and fluid friction regimes reduce the gear-rattle noise level.

The excellent gear-rattle noise damping capabilities of a water soluble polyalkylenglycol are investigated and compared to a mineral oil. A single-speed transmission has been designed and installed on a gear-rattle noise test bench to compare both gear oils. Idler gear and synchronizer ring vibrational behavior due to the torsional vibrations are studied. Only by using helical gear pairs the noise damping capabilities of water soluble polyalkylenglycol can be found, in contrast to mineral oil. Thus, it can be concluded that the formation of a hydrodynamic lubrication film in the gear mesh is responsible for the noise reduction compared to other factors, e.g. a higher drag torque on the idler gear. Synchronizer rings are easily excited by torsional vibrations because of their small moment of inertia. At high differential speeds between the synchronizer ring and the synchronizer body, the centrifugal effect leads to a decrease in drag torque as the synchronizer ring is subject to chaotic vibrations in this case.

An analysis of the transmission error proves that gear tooth impacts during rattling lead to elastic deformation of the meshing gear pairs. High contact forces during impacts cause Hertzian flattening of tooth flanks and rising fluid viscosity with pressure in the contact zone (elastohydrodynamic lubrication regime). Elastic deformation of meshing gear pairs lead to deviations from the Law of Gearing. The main source for the intensity of gear-rattle noise is the additional presence of meshing impacts at the beginning of each gear pair meshing. The traction coefficient in this meshing zone is very high because of high sliding velocities of the tooth flanks. Gear-rattle noise reduction can be achieved by avoiding meshing impacts, e.g. by minimizing the traction coefficient of the gear oil or high lubrication film thickness at the gear mesh.