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Abb. 2: Der Schalldurchgang wird anhand des Karosseriemodelles des Blechs und der akustischen Impedanz der Verkleidung vorher gesagt. ben werden. Die akustische Impedanzmatrix setzt die Schalldrücke an diskreten Knoten in Beziehung zu ihren Schallschnellen. Dies wird in Abb. 1 veranschaulicht. Soll nur ein Knoten (hier Knoten Nr. 3) bewegt werden, müssen eindeutig definierte Kräfte bzw. Schalldrücke auf die Knoten bzw. Teilflächen aufgebracht werden, damit die Gültigkeit der Impedanzmatrix erhalten bleibt. In Abb. 1 entsprechen bei v3=1 m/s diese Schalldrücke den zu v3 gehörigen Impedanzen. Gelingt es, die Impedanzen zu bestimmen, so ist das Material charakterisiert. Unterschiedliche Materialien und Verkleidungen können dann unabhängig von der Rohkarosserie gemessen und beschrieben werden. Diese Beschreibung ist zur Teile-Entwicklung, Gesamtfahrzeug-Entwicklung und Produkt- Abnahme geeignet. Verbund aus Bodenblech und Teppich bilden Schallraum Die Verbindung aus Innenverkleidung und Rohkarosserie kann als Schalldämmung und Schalldämpfung wirken. Abb. 2 zeigt den Verband aus Bodenblech und Teppich, welche gemeinsam einen Schalldamm gegen das Außenfeld bilden. Dies ist notwendig, weil es unter dem Fahrzeug störende Reifengeräusche gibt, die nicht zum Fahrer gelangen sollen. Forscher am VIRTUAL VEHICLE modellieren, koppeln und berechnen die Luft vor dem Schalldamm (unten), die Luft nach dem Schalldamm (oben) sowie den Schalldamm selbst um dies in der Simulation nachzuvollziehen. Beim Schalldamm wird mit größter Sorgfalt die Charakterisierung des Bodenblechs mit der Charakterisierung des Teppichs verbunden. 28 magazine Nr. 13, I-2013 Abb. 3: Um das Geräusch an den Fahrerohren effizient zu berechnen, wird die Aufgabe in drei Teilgebiete zerlegt: 1) die Aktivstruktur samt der Luft- und Körperschallanregung, 2.) Die Innenverkleidung und 3.) die Passivstruktur samt der darin eingeschlossenen Luft. Innenverkleidung soll Körperschall dämpfen Eine Vielzahl von Kräften wirkt auf die Karosserie ein. Die vom Motor und Fahrwerk stammenden Kräfte werden zumeist an bewusst steif gehalten Trägern eingeleitet, wobei die Wechselkräfte Schwingungen hervorrufen. Die Träger leiten und verteilen diese in die gesamte Karosserie. Dazwischen liegende Blechfelder strahlen die Schwingung in den Innenraum ab. Zur Reduktion dieser dämpft die Innenverkleidung Körperschall und behindert die Abstrahlung. Bei der Berechnung wird die Aufgabe in drei Teilgebiete zerlegt (Abb. 3): • Aktive Karosseriestruktur samt Außenschallfeld. Am Motorlängsträger und an den Stirnwandträgern wird über Motor- und Getriebelager Körperschall eingeleitet. Das Außenschallfeld unterhalb des Fahrzeuges regt die Bodenplatte an. Diese Bereiche werden anhand klassischer Methoden simuliert. • Die Innenverkleidung wird experimentell identifiziert und ins Gesamtmodell eingebunden. • Die Passivstruktur interessiert nur bezüglich ihres Transferverhaltens von der Schnittstelle der Innenverkleidung und der Schnittstelle zur Aktivstruktur zu den Empfängerpunkten. Insofern darf sie funktionell abgebildet werden, was den Rechenaufwand deutlich senkt. Zusammenfassung und Ausblick Zur Berechnung des Fahrgeräusches am Fahrerohr werden in diesem innovativen Forschungsprojekt die akustische Anregung von außen auf die Bodenplatte, die Transfereigenschaften der Bodenplatte und des Bodenteppichs, der akustische Innenraum sowie jeweils die relativen Übergänge bestimmt und modelliert. Diese Teilbereiche werden getrennt voneinander untersucht und erst dann zu einem akustischen Gesamtsystem zusammengeführt. Anhand eines Mock-ups, der dem realen PKW im akustischen Verhalten ähnelt, wird die Methode validiert. ■ Zu den Autoren Dr. Bernd Vogl leitet den Bereich „Luftschall und Sound Design“ bei der BMW Group. Dr. Fred Nentwich ist Lead Researcher für Fahrzeugakustik am VIRTUAL VEHICLE. Albert Kaltenhauser Gesamtfahrzeug Bereichssteuerung, Projektleiter R&D Center China Infrastruktur, BMW Group.
NVH steht vor neuen Herausforderungen Um in den Bereichen Noise, Vibration and Harshness (NVH) weltweit führende Produkte mit gutem Geräusch- und Schwingungsverhalten zu produzieren, werden effiziente und effektive Modell-, Analyse- und Designmethoden benötigt. Bereits vor zehn Jahren schlossen sich die KU Leuven und das VIRTUAL VEHICLE zusammen, um solche Methoden zu entwickeln. Kürzlich wurde ihre Zusammenarbeit durch die neuen EU- Projekte GRESIMO und eLiQuiD verstärkt. NVH Treibende Kraft im modernen Fahrzeugdesign Die letzten Veröffentlichungen der World Health Organization (WHO) und des Joint Research Centre of the European Commission zeigen, dass in den EU Mitgliedsstaaten und anderen westlich europäischen Ländern, durch Verkehrslärm jährlich mehr als 1 Million gesunde Lebensjahre verloren gehen [1]. Der WHO- Bericht fasst Beweismittel zusammen, die den Zusammenhang zwischen Lärm und Gesundheitsstörungen aufzeigen, wie zum Beispiel Herz-Gefäßerkrankungen, Wahrnehmungsstörungen, Schlafstörungen, Tinnitus und auch Belästigung. Die europäische Kommission hat ihre Bedenken in einem jüngst erschienen Bericht [2] an das Europäische Parlament geäußert. Seither wurden und werden nachhaltige Maßnahmen gesetzt, die bewirken, dass die EU-Gesetzesregelung auf diesem Gebiet zunehmend strenger wird. Abb. 1: NVH ist sowohl aus rechtlicher als auch aus kommerzieller Sicht ein wichtiges Designkriterium. Zwei Entwicklungsziele und große Herausforderungen für die Fahrzeugindustrie sind es sowohl geringe CO 2 -Emissionen als auch leise Zukunftsfahrzeuge zu garantieren. Dies stellt eine wesentliche Motivation für die Forschung an der KU Leuven und am VIRTUAL VEHICLE dar. Die beiden Ziele: geringe Emissionen und geringe Lärmbelästigung bewirken aber oft einen Zielkonflikt: Die Konstruktion eines Fahrzeuges in Leichtbauweise bedingt aufgrund der Physik, dass dieses Fahrzeug stärker vibriert und lauter ist. Beide Ziele gleichzeitig zu verfolgen ist eine große Herausforderung. CAE Werkzeuge: Unerlässlich für NVH-Techniker Numerische Vorhersagetechniken erlauben die Evaluierung funktioneller Leistungsmerkmale wie mechanische Festigkeit und Steifigkeit, Geräusch- und Vibrationspegel, Lebensdauer, etc., in fast jeder Phase des Entwicklungspro- Abb 2.: Neue Antriebssysteme für reduzierte CO2 Emissionen verursachen verändertes NVH Verhalten, welche innovative Methoden und neue Tools erfordern. zesses. Sowohl in der frühen Entwicklungsphase, in der nach der Optimierung der Konzeptperformance gesucht wird, als auch in der Verifizierungsphase, in der die funktionelle Optimierung des Fahrzeugs stattfindet, sind computerunterstützte Entwicklungsmethoden unerlässlich für die Entwicklung von Qualitätsprodukten bei kürzer werdenden Produktzyklen geworden. Seit numerische Methoden die Abhängigkeit von teuren und zeitaufwendigen physikalischen Prototypentests reduzieren, unterstützten sie eine kostengünstigere beschleunigte Produkteinführung. Eine Notwendigkeit für Analysewerkzeuge - Volle Freuqenzanalyse Idealerweise wären die computerunterstützten Entwicklungsmethoden der Fahrzeugakustik und des Fahrzeugkomforts auf den gesamten interessierenden Frequenzbereich, in diesem Fall der gesamte Hörbereich, anwendbar. In der Praxis jedoch sind die spezifischen Methoden nur in einem begrenzten Frequenzbereich gültig anwendbar. In den aktuellen Europäischen Forschungsprojekten SIM-VIA2, MID-MOD und MID-FREQUENCY, haben die KU Leuven und das VIRTUAL VEHICLE ihre Kräfte gebündelt, um gemeinsam mit europäischen Stakeholdern die Entwicklung von neuen Simulationsansätzen für den gesamten relevanten Frequenzbereich voranzutreiben. Die eingesetzten Technologien reichen von stabilisierten Finite-Elementtechnologien und den schnellen Multipol-Randwertverfahren bis hin zu speziellen wellenbasierten Methoden mit verbessertem Konvergenzverhalten. Diese Methoden, und viele weitere, wurden entwickelt und an den komplexen Problemen der Industrie validiert. Neue Herausforderungen in Fahrzeug-NVH-Analysen Aktuelle Entwicklungen in der Fahrzeugindustrie in Richtung elektrifizierter und leichterer Fahrzeuge stellt NVH Verantwortliche vor neue magazine Nr. 13, I-2013 29
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