Framework zur Transferpfadanalyse in der Fahrzeugentwicklung

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1 SIMULATION UND BERECHNUNG ANTRIEBSSTRANG Framework zur Tranferpfadanalye in der Fahrzeugentwicklung Müller-BBM VibroAkutik Syteme und Vibe Technology vertiefen da Konzept der Tranferpfadanalye (TPA), alo die Unteruchung de Zuammenpiel von aktiven und paiven Komponenten im Fahrzeug. Sie klaifizieren die bekannten TPA-Verfahren und bechreiben deren Eigenchaften anhand von Beipielen. pixelcao tock.adobe.com

2 AUTOREN u 3 Dr.-Ing. Dejan Arić it Key Account Manager bei der Müller-BBM VibroAkutik Syteme GmbH in München. u 1 f 1 Y AB 31 BILD 1 Die grundlegende Idee der TPA im Geamtytem chematich dargetellt ( Vibe Technology) Dipl.-Ing. (FH) Matthia Pohl it Preale Conultant bei der Müller-BBM VibroAkutik Syteme GmbH in München. Dr. Denni de Klerk it CEO bei der Müller-BBM VibroAkutik Syteme B.V., in Dalfen (Niederlande). Dr. Maarten van der Seij it Co-founder und CTO bei der Vibe Technology B.V., in Delft (Niederlande). GRUNDLAGEN Die Tranferpfadanalye (TPA) it in der Fahrzeugentwicklung ein elementarer Betandteil der Strukturanalye. Sie wird in der Entwicklung, Simulation, Abicherung und im Troublehooting angewendet. In den letzten Jahren haben ich viele unterchied - liche TPA-Verfahren heraugebildet, deren theoretiche Grundlagen inzwichen hinreichend publiziert worden ind [1]. Die Verfahren weien teilweie ein gemeiname Grundkonzept auf oder untercheiden ich grundlegend. E herrcht daher häufig eine Unicherheit beziehungweie Unein igkeit über die Funktionweie und mög liche Einatzgebiete der einzelnen Anätze. Obwohl alle zur Familie der Tranferpfadanalye gehören, haben ie jedoch einen teil deutlich unterchiedlichen Foku. TRANSFERPFADPROBLEM In dieem Artikel wird da allgemeine Konzept der Tranferpfadanalye erläutert. Die bekannten TPA-Verfahren werden in drei Gruppen unterteilt und deren Eigenchaften mit Beipielen verdeutlicht. Da Tranferpfadproblem elbt lät ich nach BILD 1 vereinfacht dartellen: Da Geamtytem AB beteht au einer aktiven Komponente A und einer paiven Komponente B, beipielweie Motor und Karoerie. Innerhalb der aktiven Struktur wird eine Kraft f 1 eingeleitet, die am Punkt an die paive Struktur weitergegeben und an der Antwortpoition u 3 beobachtet wird. Um da Übertragungverhalten genauer zu bechreiben, bietet e ich an, die Struktur wie in BILD 2 freizuchneiden und die Kräfte an der Fügetelle detailliert zu bechreiben. E wird hierbei angenommen, da am BILD 2 Da freigechnittene Sytem mit den Fügetellenkräften ( Vibe Technology) u 3 A B u 1 Y AB 31 g 2 A λ g 2 B Y B 32 f 1 Mai 217 Automotive Engineering Partner 51

3 SIMULATION UND BERECHNUNG ANTRIEBSSTRANG Indikatorpunkt A die Kraft g 2 A au der aktiven Struktur al Kraft g 2 B in die paive Struktur eingeleitet wird. Die Geamttruktur wird omit von der Gegenkraft zuammengehalten. E gibt daher effektiv drei zu betimmende Variablen: 1. Kraftanregung 2. Fügetellenkräfte 3. Tranferpfade beziehungweie Beiträge. Die klaiche TPA hat da Ziel, da Geamtytem phyikalich umfaend, da heißt Fügetellenkräfte und Tranferpfade, zu bechreiben. Die traditionellen Methoden fokuieren hierbei beonder auf die exakte Betimmung der Fügetellenkräfte [1]. Mit der Direct Force-Methode werden die Kräfte direkt gemeen, wobei ein Zerlegen der Struktur und ein Anbringen von Kraftmedoen an den betreffenden Stellen erforderlich it. Die it einereit ehr zeitaufwendig und anderereit oftmal nicht möglich, ohne die Struktur grundlegend zu verändern. Um die zu vermeiden, kann man Lagerpunkte auch al Maefederytem betrachten und mit den bekannten Eigenchaften, hier Dämpfung und Steifigkeit, eine Lager, auf die Fügetellenkräfte chließen. Allerding getaltet ich die nicht einfach. Um diee Unzulänglichkeiten zu umgehen, wird ein zweitufige Verfahren, deren Kerntück die ogenannte Matrixinverion dartellt, verwendet. MATRIXINVERSION Die Matrixinverion wird meit in einem frühen Entwicklungtadium zur Abicherung de Entwicklungprozee eingeetzt. Al Beipiel können Komfortmeungen au dem Fahrwerkbereich genannt werden. E oll ichergetellt werden, da keine Störgeräuche beziehungweie unerwünchte Vibrationen in der Fahrgatzelle wahrgenommen werden. Zunächt werden Betriebmeungen mit verchiedenen Latzutänden durchgeführt, um ein möglicht breite Spektrum an Anregungen abzudecken. Die Senorpoitionen werden mit Bedacht gewählt. Während mögliche Antwortpoitionen recht offenichtlich ind, getaltet ich die Platzierung von quellnahen Beobachtungpunkten al chwierig: E werden daher Bechleunigungaufnehmer und Mikrofone rund um die Quelle beziehungweie Koppeltelle angebracht. Somit kann owohl der Körper- al auch Luftchalleintrag betimmt werden. Al Indikatoren werden Mepunkte paiveitig an Motorlagern, Getriebelagern, Abgaanlage und Schalldämpfern gewählt und Betriebmeungen auf der Rolle oder auf der Straße durchgeführt. Anchließend werden die aktiven Komponenten wie Motor, Getriebe und Abgaanlage entfernt und mit gezieltem Krafteintrag die FRF der paiven Struktur betimmt. Da erfolgt durch eine Hammer- oder Shakermeung. Die o betimmten Übertragungfunktionen zwichen Antwort- und Anregepoition können nun al Matrix dargetellt und eindeutig bechrieben werden. Bildet man die Invere dieer Matrix, lät ich anhand der Beobachtung auf den Krafteintrag chließen. Um einen auagekräftigen Zuammenhang zwichen Krafteinleitung und Antwortignal zu erreichen, werden nur Übertragungfunktionen mit aureichend Energie beziehungweie hoher multipler Kohärenz im betrachteten Frequenzbereich augewählt. Die Betriebmeungen können nun mit den invertierten Tranferfunktionen beaufchlagt werden. Man erhält o eine Bechreibung de Sytem, BILD 3. Neben den Betriebkräften an den Indikatorpunkten können zuätzlich die Beiträge zum wahrgenommenen Schall genauer unterucht werden. Im vorliegenden Fall cheint BILD 3 Komfortunteruchung am Geamtfahrzeug mit Kräften und Beiträgen al Ergebni ( Müller-BBM VibroAkutik Syteme) 52

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5 SIMULATION UND BERECHNUNG ANTRIEBSSTRANG? g 2 bl BILD 4 Betimmung der Blocked Force an peziellen Prüftänden ( Vibe Technology) zur Betimmung der Kräfte ein, können nun antatt der Fügetellenkräfte die Blocked Force betimmt werden. Da ie eindeutige Eigenchaften der Quelle A ind, können ie zur Simulation von Schwingungen in jeglichen komplexen Strukturen verwendet werden. So it e möglich, eine Tetumgebung zu erchaffen, in der Betriebmeungen an den aktiven Komponenten durchgeführt und zeitgleich die Blocked Force zur Simulation unterchiedlicher Fahrzeugdeign verwendet werden können. OPERATIONELLE TPA am Fahrerohr bei der zweiten Motorordnung inbeondere die Abgaanlage einen hohen Beitrag zu leiten. KOMPONENTENORIENTIERTE TPA Mit dieem ganzheitlichen Anatz werden nun alle Fügetellenkräfte eine Verbund von aktiven und paiven Komponenten exakt bechrieben. E kann ein Abgleich mit den Ergebnien der numerichen Simulation erfolgen. Dabei tellt ich die Frage, welche Kräfte eine einzelne iolierte, aktive Komponente in ein Sytem einbringt. Die klaiche TPA betrachtet immer da geamte Sytem. Der Einflu von Modifikationen einzelner Subyteme, wie beipielweie ein erneuerte Lenkgetriebe, kann nicht vorhergeagt werden. Daher mu bei jeder Änderung da geamte Sytem von neuem vermeen werden. Fügetellenkräfte, die in einem Sytem AB betimmt wurden, können nicht auf ein Sytem CB mit derelben Antworteite übertragen werden. Die komponentenbaierte TPA bechreibt die Anregung mit ogenannten Equivalent Force beziehungweie Blocked Force. Diee ind eine elementare Eigenchaft der aktiven Struktur. Durch die Beaufchlagung der Kräfte mit den FRF eine zuammengeetzten Sytem können die Kräfte auf der paiven Seite imuliert werden. Die Blocked Force, BILD 4, laen ich direkt betimmen, indem die aktive Komponente in einem feten Prüftand eingepannt wird und die Kräfte direkt gemeen werden. Deutlich prakticher ercheint jedoch die ogenannte In-Situ-Methode, die der zuvor bechriebenen Matrixinverion ähnelt [2]. Bezieht man die Übertragungfunktionen de Geamtfahrzeug Ein päterer Zeitpunkt im Entwicklungzyklu verlangt nach alternativen, weniger aufwendigen Methoden, um die einzelnen Quellbeiträge und deren Pfade zum Empfangpunkt zu bechreiben. In vielen Fällen oll der Urprung eine Störgeräuch oder einer lätigen Vibration analyiert und abgetellt werden. So kann da im Fahrzeuginnenraum al törend empfundene hochfrequente Kettenheulen eine Verbrennungmotor, da mit der Zähneordnung der Steuerkettenritzel korrepondiert, unterucht werden. Die Quelle, alo der Steuertrieb de Motor, it in einem Entwicklungtadium, welche keine Änderungen mehr zulät, oda ein Optimierungpotenzial auchließlich im Übertragungverhalten zu finden it. E geht hier vorrangig darum, möglicht chnell eine Problemlöung zu finden. Hier kommt die Operationelle TPA (OTPA) zum Einatz. Da die Betriebkräfte an den Koppeltel- BILD 5 Luftchall- und Körperchallbeiträge bei der Unteruchung de Kettentrieb ( Müller-BBM Vibro- Akutik Syteme) 54

6 len für die Berechnung der Übertragungfunktionen beziehungweie Beiträge, bezogen auf die Antwortpoition und deren Ranking, nicht benötigt werden, kann auf da aufwendige Zerlegen und Klopfen de Fahrzeug verzichtet werden. Die kann bei den immer anpruchvoller werdenden Prozeen in der Automobilentwicklung den entcheidenden Hinwei für eine erfolgreiche Änderungmaßnahme geben. BEISPIEL KETTENHEULEN Da Kettenheulen kann nun in einem dreitufigen Proze genauer quantifiziert werden. Zunächt werden auf einem Akutikrollenprüftand Betriebdaten mit möglicht verchiedenen Anregungen erhoben. Da Fahrzeug wird mit unterchiedlichen Temperaturen, Drehzahlen und Latzutänden vermeen. Dabei ollten die Indikatoren paiveitig nahe der Koppeltellen de aktiven Subytem angeordnet ein. An den Energieeinleitungpunkten in da Chai werden karoerieeitig Bechleunigungaufnehmer zur Betimmung der einzelnen Körperchallbeiträge (KS) appliziert. Mikrofone, um die aktiven Komponenten wie beipielweie Abgamündung, Anaugmündung, Reifen und Motor angeordnet, erfaen die Luftchallabtrahlung (LS). E gilt, die relevanten Pfade oder Quellbeiträge für Betriebmeungen mit augeprägter Störignatur zu identifizieren und die Übertragung zu reduzieren. Au dieen operativen Meungen werden in der ogenannten CroTalk Cancelation (CTC) Übertragungfunktionen der quellnahen Indikatoren zum Empfänger betimmt. Mittel Eigenwertzerlegung werden linear voneinander unabhängige Eigenvektoren berechnet, die da Übertragungverhalten möglicht umfaend bechreiben [3]. Aufgrund dieer Übertragungfunktionen werden nun in der TPA-Synthee komplexe FIR- Filter ertellt, mit denen die jeweiligen zu unteruchenden Anregungzeitdaten gefaltet werden, um die einzelnen Quellbeiträge im Zeitbereich zu erhalten. Diee Einzelbeiträge an den Knotenpunkten kann man für die jeweiligen aktiven Baugruppen, über den Luft- und Körperchallbeitrag bi hin zum kompletten ynthetichen Beitrag am Beobachtungpunkt zuammenfaen. Da anchließende Abhören und weitere Analyieren der Ergebnie lät einen tiefen Einblick in die Wirkzuammenhänge de Sytem zu. In dieem Beipiel, dargetellt in BILD 5, hat der Pfad vom Motor über da Getriebelager hin zum Fahrerohr den höchten Schallbeitrag. Da Ergebni überracht ein wenig, könnte man doch erfahrunggemäß für diee hochfrequente Anregung eine hohe Luftchallübertragung annehmen. Mit dieer durch die OTPA geordnete Sicht können anchließend gezielt Geräuchänderungmaßnahmen erarbeitet werden. FAZIT Unterchiedliche TPA-Methoden ind in unterchiedlichen Phaen der Fahrzeugentwicklung mit verchiedenen Zieletzungen einetzbar. Einereit rechtfertigt der Anpruch an die Abicherung de Geamtfahrzeug und die Bechreibung einzelner Komponenten, die beide eine phyikalich umfaende Bechreibung erfordern, den teil erheblichen Aufwand der Matrixinverion und der Blocked Force. Anderereit dient die OTPA al Troblehooting-Werkzeug zur chnellen Beurteilung von Schallbeiträgen. LITERATURHINWEISE [1] Seij, M. V. van der; de Klerk, D.; Rixen, D. J.: General framework for tranfer path analyi: Hitory, theory and claification of technique. In: Mechanical Sytem and Signal Proceing, Volume 68 69, February 216, S [2] Wernen, M. W. F.; van der Seij, M. V.; de Klerk, D.: An indicator enor criterion for in-itu characteriation of ource vibration. 35 th International Modal Anayli Conference (IMAC XXXV), Lo Angele, USA, Januar 217 [3] Scheuren, J.; Lohrmann, M.: Tranfer Path Analyi - Experience, Expectation and Perpective. SAE Technical Paper, , 214 DIESER BEITRAG IST IM E-MAGAZIN VERFÜGBAR UNTER: Mai 217 Automotive Engineering Partner 55