用于在电驱动装置中降低结构噪声的齿轮的制作方法

1.本发明涉及一种用于在电驱动装置中降低结构噪声的齿轮。


背景技术：

2.本发明的应用领域在于具有实心的轻量化结构传动元件的电驱动技术，尤其是在汽车工业中在用于电动车的应用中。
3.尤其是自应用电的和混合动力驱动装置以来，车辆变得越来越安静。由此，车辆的驾驶员和乘员对以前被内燃机的噪声水平掩盖的其它不正常的噪声更敏感(所谓的覆盖噪声)。
4.由于在电动车中没有内燃机的覆盖噪声，对于“不习惯的”人耳来说变速器噪声可能也成为显著的干扰因素。因此，由于锻造、淬硬处理、耐久性、质量限制、装配、涂油、齿部微观和宏观几何结构以及尤其是变速器声学的彼此矛盾的要求，在开发整体的电驱动装置时，变速器和单个齿轮体的设计是其中一个最大的挑战。
5.在电驱动装置中，整个系统的质量起到非常重要的作用。因此，驱动齿轮要求轻量化结构设计并且通过在轴座和齿圈之间提供降低质量的桥接部来降低轮毂的质量。
6.此外，在典型的单档位配置方案中，宽的电动机工作范围(该工作范围在宽的转速范围内具有最大扭矩并且因此仅仅需要数量很少的档位)导致，所有齿轮无中断地彼此啮合并且由于高的转速必须承受显著更多次的滚动。由于用于电动车中的变速器的耐久性规定，导致对单个齿轮的耐用度的要求显著提高。可通过以下方式提高耐用度，即，增大齿轮直径和/或齿轮宽度。
7.在上述边界条件下，在测量电驱动装置的结构噪声时发现，主要由于齿轮体谐振的噪声峰值水平引起在单个变速器级中的所谓的nvh特性(noise vibration harshness-噪声、振动与声振粗糙度)。
8.从现有技术中已知考虑齿轮的轻量化结构要求的不同的解决方案。通过ep 3 667 124 a1已知相关的公开内容，在其中，在金属的轴座和金属的齿圈之间，齿轮毂通过由塑料(合成树脂)制成的桥接部与均匀分布的开口结构和到齿圈的每个单个齿区域的槽中的接合部相连接。对于齿轮的刚性和耐久性来说，非整体的结构形式是不利的。
9.此外，从de 10 2014 107 924 a1中已知用于在齿轮中降低噪声的齿轮组件，在其中，描述了一种具有可在周向上在主齿轮毂上旋转的齿轮的主齿轮，其中，可旋转的齿轮通过加工到主轮毂中的槽形密封圈预紧，以用于在与配合齿轮啮合时减小齿轮间隙。
10.以同样的意图，de 10 2017 113 900 a1公开了一种具有可分式的正齿部的齿轮组件，其具有主齿轮和可旋转的齿轮，其中，可旋转的齿轮装在主齿轮的轮毂上并且具有与主齿轮不同的旋转轴线，从而可通过可调整的旋转角度平衡齿轮的一定的偏心度并且降低工作噪声。在所有上述结构措施中，都不是齿轮的整体的结构形式，并且在变速器中降低结构噪声时仅仅设置为齿啮合间隙的最小化。


技术实现要素：

11.本发明的任务是，寻求用于降低用于电动车的变速器的结构噪声的方案，该方案在保持期望的齿轮体轻量化结构形式的同时有效地减少了与谐振相关的噪声增大。
12.在用于降低在电驱动装置中的结构噪声的以轻量化结构形式的齿轮中，齿轮具有齿圈和轮毂，轮毂在轴座和齿圈之间具有结构化的圆环形的或瓦楞形的桥接部，该任务通过以下方式实现，即，桥接部具有这样的结构，即，该结构构造成与绕齿轮的旋转轴线均匀质量分布有区别，并且具有轴向对称性以避免不平衡。
13.有利地，作为与均匀质量分布的区别，在桥接部的结构中存在质量分布的相对于旋转轴线二重的旋转对称性。
14.在此尤其是，齿轮的桥接部具有相邻的不同结构化的包括不同的质量分布的扇形部，扇形部成对地存在并且在绕齿轮的旋转轴线旋转180
°
之后可重合。优选地不同结构化的扇形部相继连续地构造成四分之一、六分之一或八分之一圆扇形。
15.在第一实施方案中，通过改变凹口或开口的位置、数量或尺寸或者桥接部的这种质量分布变量的组合，可调整在扇形部中不同的质量分布。
16.在第二实施方案中，通过改变肋部或桥接部的位置、数量或尺寸或者这种变量的组合，调整不同的质量和刚性分布。
17.在不同的质量分布的另一设计方案中，可通过改变凹部或筋部或其它构造成瓦楞形的结构的位置、数量或尺寸或者这种变量的组合，建立桥接部的不同的质量和刚性分布。
18.此外有利的是，通过由凹口、开口、肋部、辐条或凹部、筋部或者其它瓦楞形结构组成的结构中的至少两个的组合，对桥接部进行结构化设计。
19.适宜地，可通过齿轮轻量化结构技术的增材式和减材式方法实现凹口、开口、肋部、辐条或凹部、筋部或其它瓦楞形结构的造型。
20.此外证实为有利的是，桥接部的剩下的本体结构配有在轴座处和齿圈处的加强的、倾斜的或倒圆的脚部区域。
21.本发明基于的认识是，在轻量化结构齿轮中，齿轮的质量主要集中在旋转轴线之外，并且由于齿轮体的重量优化的设计方案产生齿轮体的相对低的固有频率，其中，尤其容易通过齿部激励来激励齿轮体的对称的固有模态振动。
22.因此，寻求抑制对称的固有模态的方案。
23.本发明的核心想法在于，通过有目的地引入绕齿轮的旋转轴线不均匀的质量和刚性分布来影响谐振特性。
24.找到的解决方案在于，通过在齿圈和轮毂之间的非周期性的几何结构，分割对称的固有模态并且使其分布到不同的频率上。对于非周期性的轮毂结构的设计方案，存在的附加的边界条件是，通过质量和刚性分布的变化没有带来绕齿轮的旋转轴线的附加的不平衡。为此，齿轮体几何结构需要至少二重的旋转对称性。
25.为了区别于周期性的质量均匀分布，尤其是当轮毂构造成在轴座和齿圈之间的近似圆环形的桥接部时，在制造齿轮确切的说其轮毂时主要有以下解决方案：
[0026]-开口(任意制造的凹口或缺口)的非周期性的位置、形状或尺寸，
[0027]-相继的肋部或辐条的非周期性的位置、形状或尺寸，或者
[0028]-由非周期性的相继的筋部、凹部或相似结构组成的桥接部的瓦楞形设计。
[0029]
此外，这些解决方案中的至少两个的组合也是可行的。
[0030]
如下说明在齿轮毂上的桥接部的与周期性或对称性有区别的结构。不存在狭义上的旋转对称性，而是仅仅存在广义上的旋转对称性，也就是说，相对于齿轮的旋转轴线，桥接部的结构具有偶数的多重性(c＝2n，其中n＝1、2、3、
…
)。这意味着，在为至少两个不同结构造型时，在齿轮旋转之后，相应的结构必须与相同造型的结构重合。为了非周期性的质量分布，在轮毂的相邻的扇形部中形成至少两种不同的质量分布。
[0031]
将齿轮的至少两个固有频率分割成不同频率的振动模态的这种所述周期性差异的方式能够，有效地降低与谐振相关的噪声增大。如果分割的频率彼此足够远，则由此减少了对称的固有频率的叠加，由此降低了谐振峰值。
[0032]
通过本发明，实现了用于降低电动车的变速器的结构噪声的新方案，该方案在保持期望的齿轮轻量化结构形式的同时使由谐振引起的噪声增大最小，或者如此程度地抑制，使得不超过变速器的结构噪声测量的预设极限值。
[0033]
有利地，齿轮构造成正齿轮。
[0034]
此外，本发明涉及一种用于转变电动机的转速和/或扭矩的具有至少两个正齿轮的变速器装置，其特征在于，齿轮构造成正齿轮并且如所述的那样构造。
[0035]
此外，本发明涉及一种用于机动车的电的轴驱动装置，其具有至少一个电机、变速器装置、差速器和逆变器。电的轴驱动装置的突出之处在于，变速器装置如所述的那样构造。
[0036]
此外，本发明涉及一种机动车，其包括所述的电的车轴和/或所述的变速器装置。
附图说明
[0037]
接下来根据实施例和附图详细解释本发明。其中：
[0038]
图1示出了以对于轻量化结构形式通用的实施方案的根据现有技术的传统的齿轮体的示意图；
[0039]
图2示出了在使用传统的轻量化结构齿轮的情况下的具有电动机和变速器的电驱动装置的示例性的示意图；
[0040]
图3示出了用于在保持二重的旋转对称性的情况下实现改变质量和刚性分布的根据本发明的实施方案的示意图；
[0041]
图4示出了具有不同的质量分布的扇形部的根据本发明的造型的三种具体实施方案，(a)通过在两个相邻的扇形部中以不同方式定位相同数量的开口，(b)通过在三个相继的扇形部中以不同方式定位不同数量的开口，以及(c)通过在四个相继的扇形部中以不同方式定位不同尺寸和数量的开口；
[0042]
图5示出了具有不同质量分布的扇形部的根据本发明的造型的另外三个具体的实施方案，(a)通过在两个相邻的扇形部中以不同方式定位多个辐条(或肋部)，(b)通过在三个相继的扇形部中以不同方式定位不同数量的辐条(或肋部)，以及(c)通过在四个相继的扇形部中以不同方式定位不同尺寸(确切的说厚度)和数量的辐条(或肋部)；
[0043]
图6示出了根据图4a和图5a的组合的根据本发明的齿轮的实施方案；以及
[0044]
图7示出了具有瓦楞形的或例如梯形成型的桥接部的根据本发明的齿轮的另一实施方案。
具体实施方式
[0045]
图1a、1b用于说明根据已知的现有技术的以轻量化结构形式的齿轮体的基本结构和造型。如在图1a中示出的那样，齿轮1包括齿圈11和齿轮毂12。
[0046]
为了在与例如电动机21(仅仅在图2中示出)的驱动轴24的第二齿轮啮合时增大接触面积，齿圈11设有斜齿。为了以轻量化结构形式的方式减小重量，齿轮毂12构造成比齿圈11更窄，从而在轴座13和齿圈11之间构造环盘形的桥接部14(图1)或瓦楞形的桥接部(图7a、7b)xx，附加地通过开口15减小桥接部的重量。传统上，开口15均匀分布，也就是说布置成以相同的尺寸和相同的径向和切向距离绕齿轮1的旋转轴线16周期地重复。
[0047]
为了说明电驱动装置的结构噪声排放的整体问题，在图2中以简化成基本结构的方式示出了根据现有技术的电驱动装置2。电动机2被集成到变速器体22中，其中，实施成传统的轻量化设计的单个齿轮1在变速器体22处被引导，并且齿轮1中的一个直接与电动机轴小齿轮24啮合。
[0048]
在图3中以示意图示出了根据本发明的解决方案。在基本结构方面，在具有齿圈11的齿轮1上，轮毂12(例如在图1中指出)分成轴座13和桥接部14，并且通过改变质量和刚性分布有目的地影响桥接部14，以用于将对称的固有模态的谐振分离到电驱动装置2的确定的转速和负载范围中并且由此减少谐振。这种措施的边界条件是避免齿轮1的不平衡。该解决方案在于，将狭义上的绝对的质量均匀分布或旋转对称性改变成广义上的旋转对称性。为此，将齿轮1的桥接部14分割成经不同结构化的扇形部141、142、
…
，这些扇形部分别具有轴对称的相同的对应部。不同结构化意味着，相邻的扇形部141、142、
…
具有彼此不同的质量分布(质量差异)，在齿轮1绕旋转轴线16旋转时该质量差异在不同频率下产生不同的固有模态，从而这些固有模态不能叠加成谐振峰值。由于成对地轴对称地相对的具有相同结构的扇形部141、142、
…
，此时没有产生不平衡。
[0049]
图3的单个部分图a、b和c示出了通过不同扇形部数量对桥接部14的可能的分割方案，其中，图a具有以相应的四分之一圆规格形式具有两个相邻的不同扇形部141和142的桥接部结构，所述两个相邻的不同扇形部可在绕旋转轴线16旋转180
°
之后与另外两个以相同方式结构化的扇形部141和142重合。部分图b示出了用于三个不同结构化的扇形部141、142和143(六分之一扇形)的该桥接部14的结构化的改进方案，以及部分图c指出了四个不同的(八分之一圆)扇形部141至144，对于部分图b和c，同样在齿轮1旋转180
°
之后可建立成对地存在的结构的重合。如此构造的结构(具有不同的刚性和质量分布)产生桥接部14确切的说齿轮1的二重的旋转对称性。
[0050]
由于在保持齿轮1的充分刚性的情况下作为附加的边界条件力求以轻量化设计的方式进一步降低重量，对于桥接部14的结构的选择，得到在图4和图5中示出的通过桥接部14的材料中的不同类型凹口实现的实施方案。
[0051]
为此，通过多个开口15优选地孔实现图4中的凹口，在与图3相似地分割的扇形部141、142、
…
中，这些凹口或者通过以不同方式定位的相同尺寸和数量的开口15产生(图a)，或者通过根据图b的具有相同尺寸但是不同数量和位置的开口15的扇形部141至143产生，或者通过根据图c的具有不同尺寸、数量和位置的开口15的扇形部141至144产生。由于通过增材式和减材式制造方法带来在齿轮1的轻量化结构形式中的新型方案，图4的示例不限制在圆形的开口15上，而是可通过任意形状的凹口(例如倒圆的三角形，四边形，任意多边形，
椭圆形等)替代或者组合。相同的适用于根据随后的图5的肋部或辐条17(如果其通过桥接部14的凹口产生)的构造方式。
[0052]
在图5中，采取了根据图3的原理制造的具有肋部或辐条17的齿轮1的桥接部14的结构。图5的部分图a、b和c中的每个都具有针对前述图3和4描述的分割成2个、3个或4个扇形部141至144的方案，其中，在此通过在单个扇形部141、142、
…
中的肋部/辐条17的不同位置、尺寸(厚度)和数量实现不同的刚性和质量分布。
[0053]
为了尤其是通过形成凹部(未示出)或筋部18(仅仅在图6中示出)产生不均匀的刚性和质量分布，除了肋部或辐条17之外，桥接部14的瓦楞形的结构也是可行的。
[0054]
图6示出了根据以上描述的原理的齿轮1的优化的构造方案，其中，简化地以没有齿部的方式示出了齿圈11。在该示例中，桥接部14构造成根据图4a和图5a的扇形部分布的组合。可看出两个成对地相对的扇形部141和142(在图6中未标出)，其分别在使用开口15和筋部18的情况下构成。筋部18也可构造成以肋部或辐条17的形式的加厚部。如已经在图5中的辐条17中示出的那样，在肋部或辐条17以及同样在筋部18中，在轴座13处并且在齿圈11处设置加厚的脚部区域以有利地维持或提高刚性。同样，可通过任意其它形状的凹口代替圆形的开口15，只要满足耐久性和/或刚性要求。
[0055]
通过以上描述的本发明的实施变型方案，在以轻量化设计的齿轮1中，尤其在质量减小的桥接部14中通过凹口和造型部有目的地改变了通常的质量均匀分布，使得沿着桥接部14的切向方向引起刚性和质量分布差异和非周期性的结构，并且满足在旋转运动时避免不平衡的重要附加条件。然而，实施方式不限制在给出的桥接部设计方案上，而是刚性和质量均匀分布的周期性或对称性降低也可在整个齿轮体上延伸，只要整体地得到具有二重的旋转对称性的刚性和质量分布。
[0056]
图7示出了具有瓦楞形的或例如梯形成型的桥接部的齿轮1的优化的构造方案。
[0057]
附图标记列表
[0058]
1 齿轮
[0059]
11 齿圈
[0060]
12 轮毂
[0061]
13 轴座
[0062]
14 桥接部
[0063]
15 开口
[0064]
16 旋转轴线
[0065]
17 辐条/肋部
[0066]
18 筋部/瓦楞形结构
[0067]
2 电驱动装置
[0068]
21 电动机
[0069]
22 变速器体
[0070]
23 浮动的支承部
[0071]
24 电动机轴小齿轮