Numerische Vorhersage der Schallemission von beispielhaften elektrischen Stellantrieben im Fahrzeug

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Monica Kalb
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1 Simcenter Symposium zur Fahrzeugentwicklung, 17. /18. Oktober 2017, Ludwigsburg Numerische Vorhersage der Schallemission von beispielhaften elektrischen Stellantrieben im Fahrzeug Prof. Otto von Estorff, Dr.-Ing. Marian Markiewicz, Dr.-Ing. Olgierd Zaleski

2 Einleitung Frühe Kenntnis von Geräuschen der elektrischen Verstellantriebe im Fahrzeuginnenraum ausgesprochen hilfreich Vielzahl solcher Antriebe (Schallquellen und -erreger) vorhanden bedeutsamer Beitrag der Verstellgeräusche zur Wahrnehmung der Fahrzeugwertigkeit zunehmend hörbar, in Fahrzeugen mit Start/Stop-Automatik, beim nahezu lautlosem Betrieb der Elektro- und Hybridantriebe Daher: Interesse an der numerischen Vorhersage von Verstellgeräuschen im Fahrzeug Anwendung numerischer Modelle zur Analyse von Schallabstrahlung elektrischer Fensterheberantriebe

3 Kraftberechnung mit MKS (1) Einblick in das MKS-Modell Kontakt Anker-Magnet Axialfeder Radiallager des Ankers Drehfeder zwischen Stirnrad und Mitnehmer Antriebslager

Kraftberechnung mit MKS (2) Parameterwerte des Motors Permanentmagnet-Innenradius Rotorradius mittlere Luftspaltfläche (ein Pol) Soll-Winkelgeschwindigkeit des Rotors symmetrische

4 Kraftberechnung mit MKS (2) Parameterwerte des Motors Permanentmagnet-Innenradius Rotorradius mittlere Luftspaltfläche (ein Pol) Soll-Winkelgeschwindigkeit des Rotors symmetrische Doppelwicklung magnetische Flussdichte Parameterwerte für die MKS-Simulation Steifigkeit der Axialfeder an der Schnecke Steifigkeiten der Drehfeder Verlustfaktor in Gummielementen

5 Kraftberechnung mit MKS (3) Magnetischer Antriebsmoment Zeitverlauf und Spektrum bei der Drehzahl /min (82,5 Hz) Antriebsmoment (Nm) Spektrum Antriebsmoment (db), Ref. 1Nm X: Y: X: 1650 Y: X: 2476 Y: X: 3301 Y: X: 4126 Y: Zeit (s) Frequenz (Hz)

6 Kraftberechnung mit MKS (4) Auflagerkräfte: Antriebslager 1 Antrieb auf starrem Bock

7 Kraftberechnung mit MKS (5) Auflagerkräfte: Antriebslager 1 Antrieb auf starrem Bock

8 Kraftberechnung mit MKS (6) Auflagerkräfte: Antriebslager Lager 1 Antrieb auf starrem Bock Spektren der Kraftkomponenten (N) X-Richtung Y-Richtung Z-Richtung Frequenz (Hz)

9 Kraftberechnung mit MKS (7) Auflagerkräfte: Antriebslager 1 in Y Lager Messung M10, RL 0.7 Simulation Antrieb auf starrem Bock 0.6 Resultierende Kraft (N) Frequenz (Hz)

freihängend an den Scharnieren und am Schloss, gekoppelt an drei

10 Kraftberechnung mit MKS (8) EMKS-Modell der Einbausituation Bisheriges Simulationsmodell aus der Phase 1 Antrieb auf elastischer Tür FE-Modell freihängend an den Scharnieren und am Schloss, gekoppelt an drei Lagerpunkten über die Kraftsensoren mit dem Motormodell drei weiche Federn

auf elastischer Tür Erhöhung der Lagerkräfte hier:

11 Kraftberechnung mit MKS (9) EMKS-Modell der Einbausituation Antriebslager 1, Kraftamplitude Antrieb auf elastischer Tür Erhöhung der Lagerkräfte hier: Erhöhung der dominanten Komponente auf das ca. 2,5-fache Auftreten neuer Kraftanteile

12 Schallfeldberechnung (1) BEM-Akustikmodell mit wesentlichen schallab -strahlenden Oberflächen mit zwei Feldpunkten in ca. 0,7m Abstand auf beiden Türseiten mit weiteren Feldpunkten zur Berechnung der abge-strahlten Schallleistung (Hüllflächenmethode) Verwendung der Akustischen Transfer-funktionen (ATF)

Schallfeldberechnung (2) ATF ist eine akustische Übertragungsfunktion, der Zusammenhang zwischen der oberflächennormalen Schnelle in einem Knoten und dem Schalldruck in einem Feldpunkt.

13 Schallfeldberechnung (2) ATF ist eine akustische Übertragungsfunktion, der Zusammenhang zwischen der oberflächennormalen Schnelle in einem Knoten und dem Schalldruck in einem Feldpunkt. Oberflächennetz {v 1 (f)} = {0} {1}... Knoten 1 {ATF 1 (f)} {p (f)} =? {ATF N (f)} Feldpunkt Knoten N {v N (f)} = {1} Die Matrix aller ATF [ATF i (f)] kennzeichnet ein akustisches Berechnungsmodell.

14 Schallfeldberechnung (3) Schnelle Analyse vibroakustischer Systeme Grid Contribution Schwingung V max Einfluss dynamischer Eigenschaften einer Struktur durch Oberflächengeschw. Akustik Einfluss akustischer Eigenschaften des relevanten Gebiets durch ATF ATF max Vibroakustik Berücksichtigt beide Einflußgrößen mit Hilfe von Produkten v * ATF V max * ATF max

15 Schallfeldberechnung (4) Ergebnisse gesamte Schallleistung 10 db

16 Modifikation Tür mit Teilmodifikationen 1-5 MODIFIKATION 2 MODIFIKATION 1 MODIFIKATION 3 MODIFIKATION 4 MODIFIKATION 5

17 Schallfeldberechnung (5) Ergebnisse gesamte Schallleistung 10 db

18 Schallfeldberechnung (6) Ergebnisse gesamte Schallleistung 10 db

19 Kraftberechnung mit KMS (10) Lagerkräfte Antrieb auf elastischer Tür guter Antrieb schlechter Antrieb

20 Schallfeldberechnung (7) Ergebnisse gesamte Schallleistung 10 db

21 Übereinstimmung Messung/Rechnung (1) BEM-Schallfeldsimulation Schalldruckpegel innen

22 Übereinstimmung Messung/Rechnung (2) BEM-Schallfeldsimulation Schalldruckpegel Berechnungsergebnis in grundsätzlich guter Übereinstimmung mit Messungen innen

23 Übereinstimmung Messung/Rechnung (3) BEM-Schallfeldsimulation Schalldruckpegel gute Übereinstimmung Peaks-Lagen unterschiedlich wahrscheinlich wegen Drehzahlunterschiede Messung/Rechnung innen

Zusammenfasung Erfolgreiche Anwendung der numerischen Simulation zur Vorhersage der Schallabstrahlung von elektrischen Pkw-Stellantrieben Verwendung von

24 Zusammenfasung Erfolgreiche Anwendung der numerischen Simulation zur Vorhersage der Schallabstrahlung von elektrischen Pkw-Stellantrieben Verwendung von analytischen Formeln, MKS, FEM und BEM gute Übereinstimmung Messung/Rechnung Zielführende Umsetzung der Simulationsergebnisse zur Konstruktion schallarmer Türinnenbleche (bzw. AGT) zur besseren Spezifikation der Anforderungen an die Antriebe Präsentierte Vorgehensweise anwendbar auch bei allen anderen elektrischen Antrieben im Fahrzeug (zur Sitzverstellung, Schiebedachbetätigung, Verdeckbetätigung, etc.) Alle Berechnungen verfügbar in Simcenter 3D

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