Sind die schon ganz dicht?

Regen durch ein offenes Fenster, ein verschüttetes Getränk im Innenraum, eine Fahrt durch eine tiefe Pfütze – Unachtsamkeiten, die dem Auto und seinen Komponenten schaden und richtig ins Geld gehen können. Aus diesem Grund versuchen Ingenieure, das Fahrzeug im Entwicklungsprozess gegen das ungewollte Eindringen von Flüssigkeiten abzusichern. Für die Überprüfung braucht es bisher viele teure Prototypen. IAV geht mit einem eigens optimierten Simulationsmodell einen schnelleren und vor allem günstigeren Weg.

Der Klassiker ist das offenstehende Seitenfenster eines Fahrzeuges: Bei Starkregen kann das Wasser an die Elektronikkomponenten innerhalb der Tür gelangen und so zu Defekten führen. Tests mittels Prototypen und die Absicherung neuer Systeme mithilfe von Versuchen sind aufwendig, teuer und finden häufig erst sehr spät im Entwicklungsprozess statt.

Deshalb geht IAV einen anderen Weg: Mit Hilfe der Software „Meshfree“ des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) haben die IAV-Ingenieure Simulationsmodelle für das virtuelle Wassermanagement entwickelt. Damit können sie Wasserströmungen auch an geometrisch komplexen und bewegten Bauteilen und Systemen simulieren. So kann IAV nicht nur zeigen, welche Komponenten mit Flüssigkeiten in Kontakt kommen könnten, sondern auch, über welche Wege das Wasser dort hingelangt und mit welchen konstruktiven Maßnahmen das Problem behoben werden kann.

regen auf der frontscheibe 11993
Das Simulationsprogramm umfasst viele Szenarien, so auch den Weg den das Wasser durch aktivierte Scheibenwischer nimmt. Interessant sind die Ergebnisse zudem für die Auslegung der Karosserie.

Gegenüber der bisherigen versuchsbasierten Absicherung mit realen Prototypen bietet die Simulation einen großen Vorteil: Lässt man ein konkretes Fahrzeug etwa durch ein Wasserbecken fahren, kann man zwar detektieren, ob ein sensibles Bauteil mit Wasser umspült wurde. Aber wie das Wasser zum jeweiligen Bauteil gelangt ist, lässt sich im praktischen Versuch meist nur sehr schwer nachvollziehen.

Ein weiterer Vorteil der Simulation: Die digitalen Tests beschleunigen den Entwicklungsprozess enorm.

«Die Entwicklungszyklen der Fahrzeuggenerationen folgen immer schneller aufeinander – insbesondere bei Elektrofahrzeugen.»

Dr. Uwe Reinhardt — Senior Vice President Vehicle Testing & EMC bei IAV

„Hier haben wir noch weniger Zeit für eine langwierige Absicherung mit einer Fülle von Prototypen.“ Die Simulation in der frühen Entwicklungsphase hilft den Ingenieuren, den Einsatz von Prototypen zu reduzieren und damit den Entwicklungsprozess zu verkürzen.

Für die Simulation verwenden die Ingenieure die Konstruktionsdaten eines Fahrzeugs und lassen es virtuell am Rechner zum Beispiel durch ein Wasserbecken oder durch einen Regenschauer fahren. Die Simulationsmethodik hat IAV in den letzten Jahren immer weiter optimiert und mit Versuchen abgeglichen. Mittlerweile lassen sich selbst komplexe Schadensbilder abbilden – wie zum Beispiel eine defekte Achsmanschette, durch die Öl austritt, das dann infolge der Rotation an andere Bauteile spritzt.

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Die simulierte Wasserdurchfahrt liefert nicht nur Erkenntnisse, welche Komponenten durch Flüssigkeiten erreicht werden können, sondern auch darüber, welchen Weg das Wasser im und am Fahrzeug genommen hat.

Elektrofahrzeuge verdienen bei der Absicherung gegenüber Wasserschäden besondere Beachtung. Beispielsweise kann während der Fahrt im Regen oder durch Pfützen Wasser an den Unterboden des Fahrzeuges spritzen und so die Hochvoltbatterie oder die Leistungselektronik erreichen. Aber auch das Eindringen von Regenwasser durch den Wasserkasten unterhalb der Frontscheibe in die Luftansaugung des Klimasystems ist zu vermeiden. Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist hingegen die Motorluftansaugung eine der empfindlichsten Baugruppen. Gelangt Wasser in den Brennraum, ist ein Wasserschlag oder ein beschädigter Motor die mögliche Folge. Bei dieser Simulation besteht die besondere Herausforderung aus der Kopplung von Luft und Wasser. Aber auch hier haben die IAV-Ingenieure eine Lösung gefunden. Die Simulation hilft, bereits in einer frühen Konzeptphase weit vor dem Bau eines ersten Prototyps derartige Problemstellen zu erkennen und Schutzmaßnahmen zu entwickeln, und zwar unabhängig von der Antriebsart.

Der Artikel erschien in der automotion 01/2021, dem Automotive Engineering-Fachmagazin von IAV. Hier können Sie die automotion kostenfrei bestellen.

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