Unerwünschten Schwingungen und Geräuschen auf der Spur

Bei hybriden Antriebssträngen und Leichtbau-Komponenten ist das NVH-Verhalten besonders komplex

Die Akustik des Antriebsstrangs hat großen Einfluss auf den Fahrkomfort. Neben dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe spielen hier elektrische Antriebe und Leichtbau-Komponenten eine immer wichtigere Rolle. IAV beschäftigt sich intensiv mit dem Thema NVH (Noise, Vibration, Harshness) und unterstützt seine Kunden entlang des gesamten V-Modells. Erfahrene NVH-Ingenieure nutzen moderne Simulationsmethoden und unterstützen maßgeblich die virtuelle Freigabe von Entwicklungsschritten.

Zu den klassischen Geräusch- und Schwingungsquellen Verbrennungsmotor und Getriebe sind in den letzten Jahren elektrische Motoren und Leichtbau-Komponenten hinzugekommen. „Alle haben ihre eigenen akustischen Eigenschaften und führen zu teilweise neuen Effekten“, erklärt Dr. Bernd Findeisen, Abteilungsleiter NVH und Simulation Mechanik/Dynamik bei IAV. „E-Motoren weisen unter Last beispielsweise ein typisches Heulen auf, das man vom Verbrennungsmotor nicht kennt.“ Darum erweitert IAV derzeit seine Datenbank mit den Streubändern von E-Antrieben, die Benchmarks neuer Antriebe ermöglichen und dabei helfen soll, ihre Konkurrenzfähigkeit in puncto NVH zu bewerten.

Besonders komplex werden die Herausforderungen, wenn in hybriden Antriebssträngen Verbrennungs- und E-Motoren gemeinsam zum Einsatz kommen: Die Passagiere sollen möglichst nicht merken, wenn der Verbrennungsmotor zu- oder abgeschaltet wird. Und während des besonders leisen, rein elektrischen Betriebes gilt es, bisher nicht hörbare Geräusche vom Innenraum fernzuhalten – zum Beispiel Luft-, Wind-, Roll- oder Getriebegeräusche.

Leichtbau-Komponenten aus Kunststoffen haben ebenfalls einen Einfluss auf die Akustik: Sie verringern zwar das Fahrzeuggewicht, erfordern aber besonderes Know-how bezüglich der NVH-Auslegung. „Laufende Projekte zeigen großes Potenzial beim Einsatz dieser Materialien“, so Findeisen.

Unterstützung von der Auslegung bis zum Serienstart

Beim Thema NVH ist IAV während des gesamten Entwicklungsprozesses an der Seite seiner Kunden. Bei der Auslegung setzen die Experten auf moderne Simulations- und Optimierungsmethoden sowie auf selbst entwickelte Tools. „Bereits in der frühen Konzeptphase setzen wir unsere Methodik der modularen Antriebsstrangsimulation ein. Das ist ein Baukastensystem, mit dem wir in kürzester Zeit das torsionale Schwingungsverhalten bewerten und mathematisch optimieren können. So können wir zum Beispiel Aussagen zur Drehungleichförmigkeits-Entkopplung sowie zum Rasseln und Ruckeln treffen“, sagt Findeisen. Dabei werden auch komplexe Regelstrukturen und Applikationsmodelle in die Simulation integriert.

In den folgenden Phasen des Entwicklungsprozesses werden die Modelle immer detaillierter. Damit können akustische Phänomene wie Getriebeheulen, Gelenkwellenwummern und Hinterachsgetriebebrummen, aber auch die Schallabstrahlung der Ölwanne oder des E-Motors rechnerisch untersucht werden.

Insbesondere die Mündungsgeräusche beeinflussen die Klangcharakteristik eines Fahrzeugs maßgeblich. Durch Simulationen werden die Ansaug- und die Abgasanlage so designt, dass sie den gewünschten Sound erzeugen. „Solche Berechnungen spielen bei uns eine immer wichtigere Rolle, weil der Trend in Richtung virtuelle Freigabe auf Basis von Simulationsergebnissen geht“, sagt Findeisen.

Um das NVH-Verhalten im Innenraum des Fahrzeugs zu bewerten, nutzen die IAV-Spezialisten die Noise-Transfer-Pfad-Methode, eine Kopplung von Messung und Simulation. „Besonders wichtig für die Optimierung des NVH-Verhaltens eines Antriebsstranges bzw. des Gesamtfahrzeugs ist das physikalische Verständnis des Zusammenspiels aller Komponenten und Systeme. Die Optimierung einzelner Komponenten führt nicht zwangsläufig zu besserem NVH-Verhalten des Fahrzeugs“, so Findeisen.

Ganz ohne Messungen an Komponenten oder ganzen Antriebssträngen geht es jedoch noch nicht. Für Versuche stehen den IAV-Entwicklern leistungsfähige Prüfstände zur Verfügung – zum Beispiel für Verbrennungsmotoren, Hybridantriebe, Getriebe und E-Motoren. „Dort führen wir Schwingungs- und Akustikmessungen durch. Damit können wir unsere Modelle mit Versuchen validieren und die Prognosegüte weiter erhöhen“, erläutert Findeisen.

Getriebe-Schallpegel um zehn Dezibel reduziert

Die hohe NVH-Kompetenz von IAV schlägt sich direkt in messbaren Verbesserungen nieder: Durch die enge Zusammenarbeit mit den Getriebespezialisten des Unternehmens ist es gelungen, durch die Korrektur der Verzahnung den Schallpegel eines Getriebes um zehn Dezibel zu reduzieren. Und mit einem Fliehkraftpendel der neuesten Generation konnten die IAV-Experten die Schwingungen einer Gelenkwelle im unteren Drehzahlbereich ungefähr halbieren.

„Ein wichtiges Thema ist für uns auch die Psychoakustik“, so Findeisen. „Darum haben wir ein eigenes Maß für die Beurteilung der Rauigkeit entwickelt, mit dessen Hilfe wir das Empfinden der Menschen besser abbilden und das Wohlbefinden der Fahrzeugpassagiere verbessern können.“

NVH-Leistungsportfolio

Simulation und Test des NVH-Verhaltens des Antriebsstranges und seiner Komponenten und Funktionssysteme von der Konzeptauslegung bis zur Serienentwicklung mit Einsatz der modernsten Simulations-, Mess- und Testmethoden.

  • Optimierung von verbrennungsmotorischen, hybriden und elektrischen Antrieben
  • Jahrelange NVH-Entwicklungskompetenz
  • Hochleistungsrechner, leistungsfähige Prüfstände und Messtechnik
  • Simulation und Test „aus einer Hand“
  • Modalanalyse, Betriebsschwingungs- und Zeitbereichsanalyse
  • Körperschall, Luftschall, Sounddesign, Psychoakustik
  • Transfer-Pfad-Analyse, Lagerungsauslegung
  • Bewertung des Fahrzeug-Innenraumkomforts
  • Getrieberasseln, -heulen, Mikro- und Makrogeometrieoptimierung
  • Auslegung und Optimierung von Entkoppelelementen
  • Klopfsensorpositionierung
  • Integration mathematischer Optimierungsmethoden in den Entwicklungsprozess
  • Kopplung von Methoden (FEM, MKS, EHD, CFD), Applikation und Regelungstechnik
  • NVH-Benchmarking
  • NVH-Consulting