Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile. (Aristoteles, griechischer Philosoph v.chr.)

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Franka Pohl
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1 Einführung: Gesamtsystemverhalten von Fahrzeugantrieben Andreas Laschet Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile. (Aristoteles, griechischer Philosoph v.chr.) Seit Aristoteles gilt der Satz, dass das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile. Was man allgemein als Synergieeffekte bezeichnen kann, lässt sich auch auf die Betrachtungsweise komplexer technischer Zusammenhänge anwenden. In diesem Sinne kann aus einer übergeordneten Systembetrachtung ein technischer Mehrwert erzielt werden, der darüber hinaus eher ein realistisches Bild widerspiegelt als die einfache Aneinanderreihung von Einzelanalysen technischer Komponenten. Aufgrund der ständig steigenden Anforderungen an antriebstechnische Lösungen insbesondere im Hinblick auf ein optimales dynamisches Verhalten von Fahrzeugantrieben kommt somit der übergeordneten Systemanalyse ein immer wichtigerer Stellenwert zu. Die ingenieurmäßige Auslegung eines Antriebsstrangs kann nicht nur durch die isolierte Betrachtung einzelner Antriebselemente wie Motoren, Kupplungen, Getriebestufen usw. erfolgen, sondern muss im Sinne des Ganzen (d.h. im Sinne einer Systemanalyse) gegenseitige Abhängigkeiten verschiedener Antriebskomponenten bereits im Anfangsstadium eines Entwicklungs- und Konstruktionsprozesses berücksichtigen. Hierzu werden leistungsfähige Simulationsprogramme sowie Ergebnisse aus messtechnischen Untersuchungen am Fahrzeug oder Prüfstand benötigt, um eine praxisgerechte Abstimmung der Berechnungsmodelle vornehmen zu können. Der interdisziplinäre Einsatz der Mechanik, Elektrotechnik, Regelungstechnik, Hydraulik, Pneumatik, Thermodynamik, Strömungstechnik (Fluid-Dynamik) sowie der Chemie ist eine notwendige Voraussetzung zur Erfüllung der systemübergreifenden technischen Anforderungen (Bild 1). Eine wesentliche Zielsetzung ist neben der Beherrschung von Schwingungen im Fahrzeug (hier schwerpunktmäßig im Fahrzeugantriebsstrang und im Verbrennungsmotor sowie in Verbindung mit allen Ankopplungen zum Fahrzeug) vor allem auch die akustische Abstimmung zur Optimierung des Innengeräuschverhaltens. Eine weitere Zielsetzung für die Zukunft ist die bewusste Gestaltung eines gewollten dynamischen Verhaltens, z.b. auch in Verbindung mit der mittlerweile üblichen Akustik-Design -Methodik. Damit das Gesamtsystemverhalten eines Kfz-Antriebs rechnerisch nachvollzogen werden kann, müssen in Abhängigkeit der gewählten Simulationstechniken geeignete Modelle erstellt und praxisgerecht angewendet werden. Dieser wichtige Schritt kommt oft in der Alltagshektik des Entwicklungsprozesses zu kurz und soll deshalb an dieser Stelle noch einmal hervorgehoben werden.

Was man allgemein als Synergieeffekte bezeichnen kann, lässt sich auch auf die Betrachtungsweise komplexer technischer Zusammenhänge anwenden.

2 FuE - Zielsetzung für Fahrzeugantriebe Optimierung des dynamischen Gesamtsystemverhaltens (Benchmarking) Mechanik Regelungstechnik Fluidtechnik Akustik Hilfsmittel: CAE-Methoden Simulation Messungen (Fahrversuche, Prüfstände) subjektive Einschätzungen Erfahrungen Bewertungsverfahren (statistische Verfahren) Gesamtbewertung des Systems Bild 1: Zielsetzung und Optimierungsbereiche für Fahrzeugantriebe (FuE = Forschung und Entwicklung, CAE = Computer Aided Engineering) Zunächst stellt sich die Frage nach der notwendigen Größe (Komplexität) und Qualität der Modelle (Bild 2). Es handelt sich hierbei um einen Zielkonflikt, da stets ein Kompromiss zwischen einem qualitativ hochwertigen und einem einfachen und minimierten, aber dafür überschaubaren Modell gefunden werden muss. Je nach Aufgabenstellung und chronologisch abhängigem Projektstand werden im Regelfall unterschiedliche Rechenmodelle eingesetzt. Diese Modelle lassen sich folgenden Entwicklungsabschnitten zuordnen: Vorentwicklung, Forschung serienbegleitende Entwicklung Fehlerdiagnose und Trouble Shooting Spezialabgleich mit Fahrzeugmessungen Baugruppen- und Komponentenuntersuchungen an Prüfständen Ein einheitliches Modell für alle denkbaren Einsatzfälle ist obwohl der Ingenieur gerne hierzu tendiert nicht in jedem Fall ökonomisch und sinnvoll.

Fahrzeugantriebe (FuE = Forschung und Entwicklung, CAE = Computer Aided Engineering) Zunächst stellt sich die Frage nach der notwendigen Größe (Komplexität) und Qualität der Modelle (Bild 2).

3 Anforderungen an CAE - Modelle Modellgröße Modellqualität so klein wie möglich so groß wie nötig so einfach & schnell wie möglich so umfangreich & komplex wie nötig aber in jedem Fall "ingenieurmäßig" und "praxisgerecht" (ohne wesentlichen Qualitätsverlust)! Bild 2: Zielkonflikt Modellgröße Modellqualität Eine mögliche Vorgehensweise bei der Modellerstellung zwecks Berechnung komplexer Systeme wird in Bild 3 vorgestellt. Die Schwierigkeit besteht in der Festlegung der Modellgrenzen, um somit auch die Berechnungsverfahren (Simulationsverfahren) im Vorfeld auszuwählen. Wenn es möglich und auch sinnvoll zu realisieren ist, können mehrere Verfahren parallel zum Einsatz kommen (Kosimulationen) oder zumindest über entsprechende Schnittstellen kommunizieren. Unter Beachtung der Gegebenheiten (d.h. der Aufgabenstellung und der zur Verfügung stehenden Informationen und Daten) kommen aber nicht in jedem Fall die notwendigen Verfahren zur Anwendung, so dass ingenieurmäßige Kompromisslösungen oft unumgänglich sind. Der Einsatz einer ökonomisch handhabbaren Berechnungsmethode mit der entsprechenden Modellierung ist auch mit Abstrichen an Genauigkeitskriterien die sinnvolle Vorgehensweise, um Ziele in angemessenen Zeiten auch mit guter Qualität erreichen zu können. Es ist hier sicherlich an die Entwickler von Simulationswerkzeugen die Anforderung zu stellen, übersichtliche und nachvollziehbare Modellgeneratoren anzubieten. Eine zusätzliche Evaluierung und Diagnose der generierten Modelle ist darüber hinaus hilfreich zur Sicherstellung einer praxisrelevanten Modellqualität.

Bild 2: Zielkonflikt Modellgröße Modellqualität Eine mögliche Vorgehensweise bei der Modellerstellung zwecks Berechnung komplexer Systeme wird in Bild 3 vorgestellt.

4 Schadensanalyse Konstruktionsrichtlinie Grundlagenuntersuchung Aufgabenstellung Auswahl geeigneter Berechnungsverfahren (ggf. Kosimulation, Nutzung von Schnittstellen) FEM MKS CFD diskrete Simulation Modellierungsplattform (Teilmodelle, Modellgruppen, Gesamtmodelle) Berechnung und Modellbewertung ingenieurmäßige Interpretation (Systemanalyse) abschließende Beurteilung Bild 3: Vorgehensweise bei der Modellierung und Berechnung FEM = Finite-Elemente-Methode MKS = Mehrkörpersimulation CFD = Fluid-Dynamik (Computational Fluid Dynamics) Es sei in diesem Zusammenhang auch auf die Grenzen der systemübergreifenden Bewertung von dynamischen Effekten in Fahrzeugantrieben mit den zugehörigen NVH-Analysen hingewiesen. Trotz allem Fortschritt bei den modernen Simulationsmethoden und den begleitenden Mess- und Prüfstandstechniken sind prozessbedingte Unsicherheiten nicht auszuschließen. Diese Unsicherheiten liegen im Wesentlichen in der Unschärfe der verfügbaren Daten, Beschreibung und Parametrierung der Lastzustände und Fahrszenarien, sowie in der Unkenntnis von Dämpfungseigenschaften und der Unvollkommenheit der Berechnungsmodelle. Auch Toleranzen in den Antriebselementen (z.b. aufgrund von Spielen, Verzahnungsqualitäten) sind oftmals verantwortlich für unterschiedliche Systemeigenschaften. Deshalb spielen Sensitivitätsbetrachtungen mit der systematischen Berücksichtigung dieser Datenschwankungen eine zentrale Rolle in der umfassenden Systemanalyse.

Interpretation (Systemanalyse) abschließende Beurteilung Bild 3: Vorgehensweise bei der Modellierung und Berechnung FEM = Finite-Elemente-Methode MKS = Mehrkörpersimulation CFD = Fluid-Dynamik

5 Die Themen der Tagung, die in diesem Buch im Rahmen der Einzelbeiträge ausführlich behandelt werden, lassen sich schwerpunktmäßig wie folgt zusammenfassen: NVH-Analyse (NVH = "Noise-Vibration-Harshness"), schwingungstechnische und akustische Optimierung Antriebsstrangoptimierung: dynamisches Übertragungsverhalten, Anfahrvorgänge, Ruckelschwingungen, ZMS, Drehschwingungsdämpfer Spezielle Getriebeanalysen: Leistungsverhalten, Lebensdauer, Verzahnungsoptimierungen, Schaltvorgänge, Doppelkupplungsgetriebe Hybrid-Antriebe: Auslegung, Simulation, Fahrbarkeitsoptimierung Simulationsmethoden, messtechnische Methoden und komplette Systemanalysen In diesem Zusammenhang sei auf die sehr interessanten Beiträge aus den Vorgängertagungen in Essen, München und Augsburg ( , 2005, 2007) hingewiesen. Diese Beiträge sind in separaten Tagungsbänden zusammengefasst [1-4]. Technische Fach- und Führungskräfte aus Entwicklung, Konstruktion, Berechnung, Simulation, Mess- und Prüfstandstechnik sowie Akustik, die sich mit dynamisch beanspruchten Kfz-Antriebssystemen sowie mit NVH-Fragestellungen (Motor + Strang) im Fahrzeugbau (PKW, NKW) auseinandersetzen, sollten die Chancen der systemübergreifenden Analyse und Bewertung nutzen. Nur so lassen sich verbesserte Gesamtkonzepte auch für neuartige Konfigurationen erstellen. Bei allem Fortschritt im Einsatz moderner Simulationstechnologien darf allerdings ein wichtiges Bindeglied nicht fehlen: der Ingenieur ist immer noch Mittelpunkt in der Produktentwicklungskette. Ingenieurmäßiges Denken und Handeln bleiben auch in Zukunft stets zentrale Bestandteile in der übergeordneten Betrachtung komplexer technischer Systeme. Literatur [1] Laschet, A. und Mitautoren: Systemanalyse in der Kfz-Antriebstechnik 1. Haus der Technik Fachbuch, Band 6 Herausgeber: E. Steinmetz Renningen: expert verlag 2001 (ISBN ) [2] Laschet, A. und Mitautoren: Systemanalyse in der Kfz-Antriebstechnik 2. Haus der Technik Fachbuch, Band 22 Herausgeber: E. Steinmetz Renningen: expert verlag 2003 (ISBN ) [3] Laschet, A. und Mitautoren: Systemanalyse in der Kfz-Antriebstechnik 3. Haus der Technik Fachbuch, Band 44 Herausgeber: U. Brill Renningen: expert verlag 2005 (ISBN ) [4] Laschet, A. und Mitautoren: Systemanalyse in der Kfz-Antriebstechnik 4. Haus der Technik Fachbuch, Band 79 Herausgeber: U. Brill Renningen: expert verlag 2007 (ISBN )

Drehschwingungsdämpfer Spezielle Getriebeanalysen: Leistungsverhalten, Lebensdauer, Verzahnungsoptimierungen, Schaltvorgänge, Doppelkupplungsgetriebe Hybrid-Antriebe: Auslegung, Simulation,

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