NACHHALTIGE ENTWICKLUNG IN DER FAHRZEUGAKUSTIK

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1 SIMULATION UND BERECHNUNG Akustik NACHHALTIGE ENTWICKLUNG IN DER FAHRZEUGAKUSTIK Akustik und Schwingungen stellen im Zuge der aktuellen Innovationen im Fahrzeugbau wie Leichtbau, Elektrofahrzeuge und steigende Motorleistungen bei reduzierten Hubräumen eine wichtige Einflussgröße dar. Gerade im Premiumsegment müssen die steigenden akustischen und schwingungstechnischen Belastungen durch geschickte und gewichtsneutrale Maßnahmen zumindest kompensiert werden. Um den Ansprüchen an eine moderne Fahrzeugentwicklung gerecht zu werden, erweitert Bertrandt sein Portfolio um ein Akustikzentrum. 86

2 AUTOREN DIPL.-ING. HANNES ULLMANN ist Abteilungsleiter Erprobung Komponenten und Akustik bei Bertrandt in Ingolstadt. DIPL.-ING. MARC MÄNDL ist Teamleiter Akustik bei Bertrandt in Ingolstadt. Mai 2014 Automotive Engineering Partners HERAUSFORDERUNG Durch die zunehmende Dynamik im Alltag sinkt die Belastungsgrenze der Menschen. Deshalb steigen auch die Anforderungen an die Fahrzeuge, bei Bedarf eine Erholungszone darzustellen. Gerade akustische Störungen beeinträchtigen den Menschen sehr. Gegen diese Störungen hat der Fahrzeuginsasse keine Mittel und sobald eine Sensibilisierung er folgt ist, wirkt sich diese negativ aus. Machen wir uns bewusst, wie gering das Energieniveau der Schallabstrahlung ist, wird deutlich, wie schwierig es ist, diese Thematik zu beherrschen. Bertrandt betreut akustische und schwingungstechnische Fragestellungen. Das Spektrum reicht von fachgerechten Umbauten am Versuchsträger über spezifische Analysen und zeitkritische Problemlösungen bis zur eigenständigen Derivat-Entwicklung. Der Aufbau und die Bindung von qualifizierten Mitarbeitern ist gleichzeitig mit Investitionen in Gebäude, Prüfstände, Messtechnik und Sensorik eine wichtige Grundlage für zukunftsgerichtete Projektarbeit. Das notwendige Know-how ist sehr vielschichtig. Neben den fahrzeugtechnischen Kenntnissen der unterschiedlichen Systeme im Automobil gehören auch die akustischen Wirkprinzipien der Energieeinleitung der Quellen in das Fahrzeug und auch die Energieübertragung bis zum Insassen dazu. SUBJEKTIVE SENSORIK Bei einem Automobil handelt es sich um ein Gefüge aus vielen Zielvorgaben, die es bei einer Lösungsfindung zu verstehen und zu berücksichtigen gilt. Ein deduktives Gespür bei der Problemanalyse gehört also genauso zu den Fähigkeiten eines guten Akustikers wie eine ausgeprägte Wahrnehmung, um die objektiven Messergebnisse richtig zu interpretieren. Der Akustiker nutzt modernste Messsysteme zur objektiven Erfassung der Fahrzeugeigenschaften und wertet diese mittels seiner eigenen subjektiven Sensorik aus. Auf eine subjektive Einschätzung kann nicht verzichtet werden. Zum einen kann so das Untersuchungsprogramm sinnvoll eingegrenzt und den immer kürzeren Entwicklungszeiten Rechnung getragen werden. Zum anderen ist es eine Herausforderung, alle möglichen Einsatzfälle des Fahrzeugs abzusichern, damit es in keinem Fahrzeugzustand zu auffälligen Geräuschen kommt. Das Portfolio der Untersuchungsmethoden ist vielschichtig und erfordert fundiertes Expertenwissen, das mit praktischen Erfahrungen für jede Fragestellung zu einer individuellen Lösung entwickelt werden muss. Die Akustik gehört im Gegensatz zu etwa den fahrdynamischen Eigenschaften nicht zu den Kernfunktionen des Fahrzeugs. Aus diesem Grund ist es ausgesprochen wichtig, dass der Akustikspezialist seine Lösung argumentieren kann. Gegen die Kosten-, Gewichts- und Bauraum-Anforderungen muss er seine Maßnahmen entwickeln und bis zum Ernstfall in den Konzept-Entscheidungen am Leben erhalten. Wenn dieser Fall eintritt, ist der Fachmann gefordert, in einem bereits starr definierten Umfeld eine Lösung zu finden, die den Kundenanforderungen entspricht. INNOVATION PSYCHOAKUSTIK Das Spektrum der Phänomene und Methoden im Bereich Akustik erweitert sich kontinuierlich. Bei den Methoden ist die Psychoakustik eine der Technologien, die für aktive Systeme eine neue Dynamik im Fahrzeug findet. Mit steigendem Druck ist es wichtig, akustische Maßnahmen bedarfsorientiert zu entwickeln. Klassisch bedeutet dies, nicht so gut wie möglich, sondern so gut wie nötig. Hier bekommt die Psychoakustik eine zunehmend wichtigere Rolle. Häufig stellt sich die Frage, ob ein Mehraufwand an Material vom Kunden wahrgenommen werden kann, 1 und 2. Zusätzlich entwickelt sich die Psychoakustik aktuell stark durch die Fragestellungen nach einem Branding der Fahrzeuge. Hier geht es um die Emotionen, die mittels akustischer Stimuli beim Kunden erzeugt werden können. Beschleunigt wird dieses Thema zusätzlich durch die für Elektrofahrzeuge generell synthetisch zu erzeugenden Fahrzeuggeräusche. Bei diesen Aufgaben kann die Psychoakustik für aktive Systeme eine neue Dynamik im Fahrzeug erzeugen. 87

3 SIMULATION UND BERECHNUNG Akustik LEISTUNGSSPEKTRUM BIS HIN ZUR GESAMTFAHRZEUGANALYSE 1 FFT-Darstellung eines Hupengeräusches Projekt: Psychoakustisches Hupendesign (Vortrag DAGA 2014 in Oldenburg, Angelika Berwein, Bertrandt Ingolstadt) 2 Terzdarstellung eines Hupengeräusches Mit dem Bau des eigenen Akustikzentrums bei Ingolstadt will Bertrandt seine Kompetenzen rund um die Fahrzeugakustik weiter ausbauen. Auf 1200 m² Versuchs- und 1800 m² Büroflächen entsteht aktuell ein Akustikzentrum mit Prüfständen auf neuestem Stand, 3. Das Leistungsspektrum reicht von akustischen Untersuchungen in den Bereichen Dämmung, Antriebsstrang, Fahrwerk oder Abgasanlage bis hin zur Gesamtfahrzeuganalyse. Viel Wert wurde auf akustische Prüfstandslösungen gelegt. Außerdem wurden viele Kleinigkeiten berücksichtigt, die einen hochdynamischen und performanten Betrieb ermöglichen. Zum Beispiel erfolgt die Fahrzeugkühlung während der Messung so, dass keine Stillstandszeit zur Abkühlung bei einer Untersuchung eingeplant werden muss. Das wird durch einen akustisch optimierten Blaskanal mit einem Luftvolumen von bis zu m³/h erreicht. Ein weiteres Beispiel ist die vom Lieferanten patentierte Einpunkt-Fahrzeugfesselung, die rückkopplungsfrei erfolgt und mit einem Minimum an Aufwand auskommt. Die Prüfstände sind schwingungstechnisch von der Umgebung entkoppelt, sodass sich störende Einflüsse aus der Umgebung nicht auf 3 Skizze des neuen Fahrzeug-Akustikzentrums; hier werden auf rund 3000 m² individuelle Entwicklungen und Versuche betreut 88

4 die Messungen auswirken können. Auch die Antriebseinheiten sind jeweils auf eigenen Schwingfundamenten vom Gebäude entkoppelt und spezifisch abgestimmt. Viel Wert wurde zusätzlich auf die Abdichtung der Zufahrtstore und Türen gelegt. Durch eine geschlossene Lkw-Schleuse, um Versuchsträger sicher zu be- und entladen, soll beispielsweise höchster Prototypenschutz ermöglicht werden. Ergänzt wird das Akustikzentrum durch mehrere Stellflächen mit Hebebühnen, an denen die Versuchsträger umgebaut und modifiziert werden können. Die Akustiker haben vollen Zugriff auf die bereits etablierte mechanische Werkstatt und das Rapid-Prototyping-Zentrum. Damit ist es möglich, auch ausgefallene Ideen der Akustik-Experten und Kunden zu realisieren, sie kurzfristig am Prüfstand messbar und in Realität erlebbar zu machen. Zwei Prüfstände stehen im Mittelpunkt des neuen Fahrzeug-Akustikzentrums: Eine Akustik-Allradrolle und ein Semi-Freifeldraum (Klasse I). ALLRAD-AKUSTIK- ROLLENPRÜFSTAND Mai 2014 Automotive Engineering Partners Im künftigen Fahrzeug-Akustikzentrum befindet sich ein Allrad-Akustik-Rollenprüfstand, 4, mit einem aero-akustischen Blaskanal zur Fahrtwindkühlung. Damit können Akustikprüfungen an front-, heck- und allradgetriebenen Pkw durchgeführt werden. Der Prüfstand besteht aus vier einzeln angetriebenen Laufrollen mit einer Gesamtleistung von 650 kw. Er kann mit einer Maximalgeschwindigkeit von bis zu 250 km/h betrieben werden. Weiterhin ist er mit einem Vielkanalmesssystem ausgestattet. Hier können aktuell bis zu 160 ICP- Kanäle synchron erfasst werden. Zusätzlich können alle Fahrzeugdaten aus dem CAN- oder Flexray-Bus ausgewertet werden. Auf dem Prüfstand werden Straßenfahrten an allen gängigen Pkw-Modellen simuliert und störende, sich verändernde Umgebungseinflüsse, wie sie bei einer realen Messfahrt auftreten, minimiert. Die Nutzung des Prüfstands mit unterschiedlichen Modellen wird durch eine einstellbare Radstandsverstellung von zwei Aufstandsrollen ermöglicht. Diverse Betriebszustände wie Volllast bis zur Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs, Teillastzyklen mit der Zugkraft als Randbedingung sind unter anderem realisierbar. Außerdem ist die Simulation von Straßen eigenschaften möglich. Je nach Kundenwunsch können die Zyklen durch einen Testingenieur manuell gefahren oder mit einem sogenannten E-Gas automatisch durchgeführt werden. Neben der Abbildung realistischer Betriebszustände können auch atypische Betriebsfälle zur detaillierten Analyse der Versuchsträger genutzt werden. Beispielsweise kann das Fahrzeug auch ohne laufenden Motor gefahren werden. Ein solcher Betrieb ermöglicht es den Entwicklern, einzelne Systeme des Fahrzeugs zu untersuchen, da in diesem Fall nur die mechanischen Geräuschanteile erzeugt werden und die ganzen verbrennungs- und strömungsmechanischen Komponenten nicht auftreten. Auch eine simulierte Kurvenfahrt ist auf dem Prüfstand möglich, da alle vier Rollen unterschiedlich angesteuert werden können. Während einer Prüffahrt kann die Akustik des Fahrzeugs messtechnisch objektiv erfasst und ausgewertet werden. Anschließend erfolgt eine subjektive Be urteilung des Fahrzeugs durch Versuchsingenieure. Neben der Akustik an den Komfortschnittstellen zum Nutzer können alle Quellen und Übertragungswege messtechnisch überwacht und analysiert werden. Dies ist ebenfalls eine wichtige Facette des Prüfstands, die in einem realen Fahrbetrieb nicht möglich ist. SEMI-FREIFELD-RAUM Der Semi-Freifeld-Raum ermöglicht es, akustische Untersuchungen an Systemen durchzuführen, wie zum Beispiel an Heiz-/Klima- und Sitzkomfort-Systemen. Weiterhin können Einzelkomponenten und Gesamtfahrzeuge im Stand vibroakustisch optimiert werden. Kernfunktionen des Semi-Freifeld-Raums sind die Schwingungsentkopplung zur Umgebung, die Schalldämmung gegen Umgebungsgeräusche und die Schallisolierung im Innenraum. Diese unterbinden die Schallreflexionen des Untersuchungsobjekts an der Decke und den Wänden. Der Boden ist hier schall-hart ausgeführt. So können Randbedingungen wie im realen Betrieb, jedoch ohne störende Umwelteinflüsse, geschaffen werden. In der Realität steht beispielsweise ein Fahrzeug auf der schallharten Straße, Wir bringen Schwung in Ihre NVH- und Akustik- Simulation CDH AG Despag-Straße 3 D Ingolstadt Telefon

5 SEIT 75 JAHREN AM MOTORTECHNISCHEN PULS DER ZEIT. WIR FEIERN GEBURTSTAG! Seit 75 Jahren beleuchtet die MTZ Motortechnische Zeitschrift Monat für Monat die bewegendsten Themen der Welt: den Verbrennungsmotor und andere Antriebe. Dabei hat unser Geburtstagskind das Wunder vollbracht, in Aufmachung und Inhalt immer jung zu bleiben. Und in einem Punkt ist die MTZ sich stets treu geblieben: in dem Anspruch ihren Lesern qualitativ hochwertigen Fachjournalismus zu bieten.

6 4 Schematischer Aufbau eines Allrad-Akustik-Rollenprüfstands, wie er bei Bertrandt realisiert wird (Bild Akustikzentrum GmbH, Lenting) der Schall wird also reflektiert. Alle anderen Fahr zeug-außenbereiche können hingegen reflexionsfrei abstrahlen. Die Akustikauskleidung beider Labore ist als Flachabsorber an den Seitenwänden, der Decke und den Übergangsbereichen ausgeführt. Die Auskleidung erfüllt die Vorgaben für einen reflexionsarmen Halbraum nach ISO 3745 Genauigkeitsklasse 1 und erreicht eine Grenzfrequenz von 70 Hz. Zusätzlich zu den beiden Prüfständen befinden sich aktuell acht Vielkanal-Messsysteme im Einsatz, die über eine Kanalanzahl von rund 270 Messkanälen verfügen. Neben der Verarbeitung von Standardkanälen können ebenfalls diverse Sonderaufgaben bearbeitet werden, beispielsweise Drehschwingungsanalysen am Antriebsstrang. Zudem steht der Bereich Sensorik im Fokus. Hier werden neben einer Vielzahl von klassischen Sensoren (Mikrofone und Beschleunigungs-Aufnehmer) auch Spezialmesstechnik wie Rotationsvibrometer und innovative Konzepte eingesetzt sowie neue erprobt, zum Beispiel LMS Soundbrush. AUSBLICK Aktuell investiert das Unternehmen in weitere Messund Versuchstechnik speziell für den Einsatz in der Modalanalyse, Abgasanlagentechnik, mobile Messung und Materialuntersuchung. Ein aktueller Trend geht zu kleinen kompakten Messsystemen, die im Ge gensatz zu den Vielkanal-Systemen mit einem Minimum an Zeit- und Ressourcenaufwand zur Vorbereitung und Durchführung von mobilen Messungen auskommen. Dieser Trend begründet sich ebenfalls in den immer kürzeren Entwicklungszeiten bei steigender Derivatvielfalt. Neben der aktuell geplanten Fläche bestehen auf dem Grundstück noch Erweiterungsmöglichkeiten zum weiteren Ausbau rund um die Akustik. DOWNLOAD DES BEITRAGS Korrosions- Klima-Wechseltestkammer Für kombinierte Klima-, Temperatur- und Salznebel- Prüfungen von Automobilkomponenten gemäß den Normen: VDA Test (neu) mit Frosten bis -15 C DIN EN ISO 9227 Wir stellen aus: Control Stuttgart, Halle 1, Stand 1215 Sensor+Test Nürnberg, Halle 11, Stand testing expo Stuttgart, Halle 1, Stand 1230 Weiss Umwelttechnik GmbH Greizer Straße Reiskirchen-Lindenstruth Germany info@wut.com Mai 2014 Automotive Engineering Partners