Durchgängige Integration standardisierter NVH- Berechnungen in den Entwicklungsprozess von Schienenfahrzeugantriebssträngen

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Tobias Adler
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1 Fakultät Maschinenwesen Professur für Dynamik und Mechanismentechnik Durchgängige Integration standardisierter NVH- Berechnungen in den Entwicklungsprozess von Schienenfahrzeugantriebssträngen Prof. Dr.-Ing. Michael Beitelschmidt Köln,

NVH- Berechnungen in den Entwicklungsprozess von

2 Inhalt 1. Einleitung und Motivation 2. Projektvorstellung 3. Beispiel: Simulation eines elektrischen Fahrmotors 4. Herausforderungen in der NVH-Simulation

3 Inhalt 1. Einleitung und Motivation 2. Projektvorstellung 3. Beispiel: Simulation eines elektrischen Fahrmotors 4. Herausforderungen in der NVH-Simulation

4 NVH-Entwicklung in der Praxis 100 % fertiges Schienenfahrzeug Virtuelle Produktentwicklung Fahrzeugversuch Finite-Elemente-Simulation/ SEA Komponentenversuch Elastische Mehrkörpersimulation Funktionale Reife des Entwicklungsobjekts 0 % Analytische Auslegungsmodelle /SEA Grundlegende Designrichtlinien Sinnvoll anwendbar: Kombination aus Beidem versuchsorientierte Entwicklung (kostenintensiv) 0 % Detailierungsgrad (tatsächliche physische Geometriedefinition) 100 % 4

Entwicklungsobjekts 0 % Analytische Auslegungsmodelle /SEA Grundlegende Designrichtlinien Sinnvoll anwendbar:

5 Simulationsmethoden in der NVH-Entwicklung Quelle z.b.: Rad-Schiene-Kontakt Analytische Modelle mittels Übertragungsfunktionen: F 1 v 1 Radkörp er F 2 F3 F4 3 A1 A2 A A4 Radsatzlager 3 Drehgestell v2 v v 4 Wagenkasten v 5 Finite-Elemente Modell eines Fahrmotors Abstrahlung von Luftschall Komplexität SEA BEM FEM EMKS MOR Statistische Energieanalyse Rand-Elemente Methode Finite-Elemente Methode Elastische Mehrkörpersimulation Modellordnungsreduktion Systemausdehnung Analytische Modelle 5

Radsatzlager 3 Drehgestell v2 v v 4 Wagenkasten v 5 Finite-Elemente Modell eines Fahrmotors Abstrahlung von Luftschall

6 Inhalt 1. Einleitung und Motivation 2. Projektvorstellung 3. Beispiel: Simulation eines elektrischen Fahrmotors 4. Herausforderungen in der NVH-Simulation

7 Themenvorstellung Ausgangspunkt: unvorhergesehene Körperschallprobleme an einem Neufahrzeug Erkenntnis: Die Vorhersage des Körperschallanteils aus dem Antriebsstrang wird benötigt und sollte standardisiert im Entwicklungsprozess erfolgen 1. Analyse Analyse des bestehenden Entwicklungsprozesses 2. Forschung Experimentelle Untersuchung und Modellbildung aller wichtigen NVH- Phänomene im Antriebsstrang 3. Test Erprobung des neu geschaffenenen Entwicklungsprozess es in der Praxis Validierter Berechnungsprozess für die Vorhersage des Körperschalls aus der Antriebsseinheit des Schienenfahrzeugs 7

Forschung Experimentelle Untersuchung und Modellbildung aller wichtigen NVH- Phänomene im Antriebsstrang 3.

8 Themenvorstellung Thema: Durchgängige Integration von NVH-Berechnungen in den Entwicklungsprozess von Schienenfahrzeugantriebssträngen Innengeräusch 4 5 NVH Noise Vibration Harshness Außengeräusch 1 Rad-Schiene-Kontakt 2 Körperschallquellen im Antriebsstrang 3 3 Schallquellen im Innenraum Wechselrichter, Klimaanlage, 5 Strömungsschallquellen 8

Vibration Harshness Außengeräusch 1 Rad-Schiene-Kontakt 2 Körperschallquellen im

9 Zielsetzung des Projekts 0 Hz 20 Hz 100 Hz 16 khz Vibration Harshness Noise Vibration Harshness Akustik BEM/FEM - Berechnung Detailierungsgrad der Modelle Luftschall Abbildung des Antriebstranges MKS- Komfortberechnung Erweiterung der MKS-Modelle Abbildung der Körperschallweiterleitung Berechnung des Innen- und Außenluftschalls mittels SEA FEM-Berechnungen Körperschall Gültigkeit der Modelle im Frequenzbereich 9

Komfortberechnung Erweiterung der MKS-Modelle Abbildung der Körperschallweiterleitung Berechnung des

10 NVH-Abbildung des Antriebsstrangs Numerische Simulation Transiente FEM Analytische Modelle EMKS mit Co-Simulation Empirische Ersatzmodelle FEM im Frequenzbereich Dynamische Netzwerkrechnung BEM/FEM Akustiberechnung Berechnung des Innen- und Außenluftschalls mittels SEA Anregungsmechanismen Körperschallübertragung Schallabstrahlung Torsionsschwingungen Achslenker Wagenkasten Biegeschwingungen Drehgestellrahmen Getriebegehäuse Stöße Luftfeder Statorgehäuse Nichtfluchtende Wellen Dämpfer Drehgestell Unwucht Federelemente Radsätze Zahneingriffe Längsmitnahme etc. Rad-Schiene Kontakt Wankstütze Wälzlager Radsätze etc. etc. 10

Körperschallübertragung Schallabstrahlung Torsionsschwingungen Achslenker Wagenkasten Biegeschwingungen Drehgestellrahmen Getriebegehäuse Stöße Luftfeder

11 Methodik und Forschungsschwerpunkt Elastische Mehrkörpersimulation auf den akustischen Frequenzbereich erweitern Abbildung des Antriebsstranges als elastisches Mehrkörpersimulationsmodell Abbildung aller relevanten Erregermechanismen (Unwucht, Verzahnungsanregung, Rad-Schiene-Kontakt etc.) Charakterisierung von Quellen im Zeit- und Frequenzbereich Abbildung der Körperschallübertragung durch den Antriebsstrang im Zeitund Frequenzbereich Anwendung von Ersatzmodellen (analytisch/empirisch) für dynamische Übertragungselemente (Wälzlager, Dämpfer, Gummi-Metallelemente) NVH-Prognosemodell für den gesamten Antriebsstrang einsetzbar im Entwicklungsprozess 11

) Charakterisierung von Quellen im Zeit- und Frequenzbereich Abbildung der Körperschallübertragung durch den Antriebsstrang im Zeitund Frequenzbereich Anwendung von

12 Inhalt 1. Einleitung und Motivation 2. Projektvorstellung 3. Beispiel: Simulation eines elektrischen Fahrmotors 4. Herausforderungen in der NVH-Simulation

13 Ausgewählte Forschungsthemen Systemanalyse des Antriebsstrangs Beschreibung nichtlinearer Effekte (Spiel, Reibung, Kontakte) Kombination von Zeitbereichs- und Frequenzbereichsrechnung (nichtlinear und linear) Statische und dynamische Charakterisierung von Verbindungselementen (Wälzlager, hydraulische Dämpfer, ) Anwendung moderner Reduktionsmethoden für die Abbildung der Körperschallweiterleitung in elastischen Strukturen Hybride Simulation: Kombination von experimentellen Daten und numerischer Simulation Beschreibung domäneübergreifender Effekte (Ersatzmodell für elektrische Maschine, sowie deren Regelung) 13

hydraulische Dämpfer, ) Anwendung moderner Reduktionsmethoden für die Abbildung der Körperschallweiterleitung in elastischen Strukturen Hybride

14 Beispiel Fahrmotor als Körperschallquelle Untersuchungsziele: Modellierungsansätze Fertigungsgenauigkeiten Unwucht Wälzlager Motorlagerung elektrische Anregung elastische Statorstruktur FE-Modell des Stators Flexibler Körper Mehrkörpersimulationsmodell eines elektrischen Fahrmotors Ersatzmodell der elektrischen Asynchronmaschine zur Berechnung des Luftspaltmomentes. Co-Simulation Wälzlager Abbildung des nichtlinearen gekoppelten Verhaltens der Wälzlager mittels Lagerkennfeldern 14

Mehrkörpersimulationsmodell eines elektrischen Fahrmotors Ersatzmodell der elektrischen Asynchronmaschine zur Berechnung

15 Beispiel: Auswirkung des Lagerspiels 2 wichtige Modellübergänge: a) Unwuchtanregung überwindet das Spiel in horizontaler Ebene Lagerspiel bewirkt eine Anregung einer Vielzahl höherer Ordnungen wenn der Grenzzyklus der freien Wellenbewegung größer als das Lagerspiel ist b) Unwucht und Elliptizität überwindet das Spiel in vertikaler Ebene gegen die Schwerkraft Abhängig von Eigengewicht, Unwucht und Lagerspiel kommt es zu einer breitbandigen Anregung durch das Ausheben der Welle Spektogramm eines Hochlaufs Unwucht G16 Elliptizität 5 μm Auswertung der X-Komponente der Festlagerkraft Farben überhöht Dr.-Ing. Volker Quarz, Dipl.-Ing. Johannes Woller a) b) 15 15

vertikaler Ebene gegen die Schwerkraft Abhängig von Eigengewicht, Unwucht und Lagerspiel kommt es zu einer breitbandigen Anregung durch das Ausheben der Welle

16 Inhalt 1. Einleitung und Motivation 2. Projektvorstellung 3. Beispiel: Simulation eines elektrischen Fahrmotors 4. Herausforderungen in der NVH-Simulation

17 Herausforderungen in der NVH-Simulation NVH-Phänomene sind hoch komplex und können bis heute zum Teil nur experimentell genau analysiert werden (Materialverhalten, Temperatureinfluss, Reibung und Kontakt, Feingeometrie etc.) Vor hörbarem Luftschall steht (außer bei Strömungsquellen) stets eine Körperschallquelle (Probleme sind stets gekoppelt) Für NVH-Berechnungen wird eine große Menge an Eingangsinformationen benötigt Unsicherheiten in den Eingangsdaten können große Auswirkungen auf das Berechnungsergebnis haben Etablierte Berechnungsverfahren sind zum Teil zu wenig experimentell abgesichert Viele Berechnungsmethoden viele Unterschiede: Genauigkeit Notwendige Eingangsgrößen Gültigkeit im Frequenzbereich Numerische Berechnungsaufwand Physikalische Domäne (Luftschall Körperschall) empirischer oder physikalischer Ansatz 17

) Vor hörbarem Luftschall steht (außer bei Strömungsquellen) stets eine Körperschallquelle (Probleme sind stets gekoppelt) Für NVH-Berechnungen wird eine große Menge an Eingangsinformationen benötigt

18 Herausforderungen der NVH-Simulation Unterschiedliche Berechnungslösungen haben kaum standardisierte Schnittstellen Wenig systematische Untersuchungen an Systemen zumeist nur Einzelfallbetrachtungen (Problemfälle) Experimentelle Untersuchungen sind stark abhängig von den Randbedingungen der Messung und zum Teil schwer übertragbar Es existieren hochspezialisierte Modelle für Einzelphänomene: Rad-Schiene-Kontakt Zahnkontakt Materialmodelle Dynamische Systemmodelle Für eine vollständige NVH-Berechnung vom Körperschall bis in den Luftschall müssen stets mehrere NVH-Berechnungsmethoden kombiniert werden Zu wenig Fachkräfte mit spezialisiertem NVH-Wissen 18

übertragbar Es existieren hochspezialisierte Modelle für Einzelphänomene: Rad-Schiene-Kontakt Zahnkontakt Materialmodelle Dynamische Systemmodelle Für eine

19 Entwicklungsziele der NVH-Berechnung Weiterentwicklung der Mehrkörpersimulation zur grundlegenden NVH- Berechnungsmethode: Reduktionsverfahren weiterentwickeln und kommerziell anwendbar machen Weiterentwicklung von messdatenbasierter Simulation und Einbindung empirischer Modelle Entwicklung und Etablierung robuster standardisierter Messmethoden für die NVH- Auslegung Groß angelegte experimentelle Charakterisierung dynamischer Verbindungselemente (Wälzlager, Primärfedern etc.) sowie deren Modellbildung im akustischen Frequenzbereich Bereits existierende komplexe Berechnungslösungen (bspw. TWINS) in die MKS einbinden Modellbildung für den akustischen Frequenzbereich experimentell validieren Anbindung der MKS an andere Simulationswerkzeuge z.b. FEM/BEM SEA verbessern Nutzung der elastische Lösung der MKS für Luftschallprognose NVH-Verhalten von Gesamtsystemen analysieren und verstehen: Körperschallquellen Charakterisieren und Priorisieren Minimalmodelle für die wichtigsten NVH-Phänomene definieren Modellgüte und Sensitivität von Eingangsinformationen prüfen 19

experimentelle Charakterisierung dynamischer Verbindungselemente (Wälzlager, Primärfedern etc.

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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