NVH & Friction - Virtual Vehicle

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NVH Optimierung von Baugruppen aus teilweise ungewissen Komponenten Die numerische NVH Optimierung von Baugruppen benötigt grundsätzlich die genaue Kenntnis aller Komponenten, besonders dann wenn eine dynamische Wechselwirkung vorliegt. Bedauerlicherweise fehlen in der Praxis oft die Detailinformationen einiger Komponenten, oder sie schwanken stark mit den Anforderungen an das Endprodukt. Eine numerische Optimierung der Baugruppe ist in solchen Fällen dennoch möglich, indem ein äquivalentes Rechenmodell, das eine Familie von Komponenten repräsentiert, definiert wird. Verbrennungsmotoren, zum Beispiel, müssen mit einer weiten Palette an Ölwannen kombinierbar sein. Für die Umsetzung einer vibro-akustische Optimierung wird ein äquivalentes Modell entwickelt, welches repräsentativ für alle relevanten Ölwannen Varianten ist. Die Fahrzeugindustrie baut Fahrzeuge auf Basis zahlreicher komplexer Komponenten. Viele Anbieter sind auf einzelne Komponenten spezialisiert, besitzen das dazu notwendige Know-How in den unterschiedlichen Disziplinen und beziehen ihre Einzelteile wiederum von weiteren Lieferanten. Dabei werden von den Anbietern vorwiegend eigene Design- und Entwicklungsprozesse genutzt. In der Fahrzeugindustrie werden darüber hinaus die verschiedenen Komponenten häufig in parallelen Prozessen von unterschiedlichen Teams entworfen und entwickelt, um den Gesamt- Entwicklungsprozess zu beschleunigen. Die Optimierung einer Baugruppe in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses wird dadurch behindert, dass detaillierte Informationen von einigen Komponenten zu dieser Zeit nicht zur Verfügung stehen. Zusätzlich können die unterschiedlichen Komponenten, abhängig von den jeweiligen Anforderungen, auf verschiedene Weise in einer Baugruppe kombiniert werden. Zum Beispiel Abb. 1: Transfer Admittanz zwischen zwei Punkten eines Ölwannen- Verbindungsflansches: tatsächliche und äquivalente Struktur 6 magazine Nr. 13, I-2013 kann ein und dasselbe Kurbelgehäuse in verschiedenen Antriebssträngen verwendet werden, ein einziger Motor mit verschiedenen Konfigurationen von hybriden Getriebearchitekturen eingesetzt werden, oder der gleiche Motor in verschiedenen Fahrzeugen verbaut werden. Auch hier ist die Systemoptimierung schwierig, da eine akzeptable Abstimmung für eine Vielzahl von Systemkonfigurationen gefunden werden muss. Die Herausforderung besteht in der Formulierung von Design- und Optimierungsstrategien, welche die Erfüllung von Zielgrößen auf Baugruppenebene garantieren und gleichzeitig mit den Unsicherheiten und Veränderlichkeiten von einigen ihrer Komponenten zurecht kommen. Die Lösungsstrategie, die in diesem Beitrag beschrieben wird, besteht in der Definition äquivalenter numerischer Modelle, welche die Komponenten, deren exakte Details nicht ausreichend bekannt sind, generisch beschreiben, um damit ausreichend detaillierte Modelle für Ölwanne Äquivalente Struktur das Gesamtsystem erstellen zu können. Diese äquivalenten Komponentenmodelle müssen so definiert werden, dass die wesentlichen Wellen Interaktionsmechanismen zwischen Komponenten der Baugruppe erhalten bleiben. Die Randbedingungen, welche durch die äquivalenten Modelle aufgestellt werden, beschreiben das unbekannte System in einem für alle relevanten Varianten repräsentativen Sinn. Die Formulierung solcher äquivalenten Komponentenmodelle basiert auf der Tatsache, dass das Schwingungsfeld jeder Komponente in ein direktes und in ein diffuses Feld unterteilt werden kann. Das diffuse Feld ist abhängig von den exakten Details der Komponente und ist spezifisch für die jeweilige Struktur. Das direkte Feld andererseits, hängt nur von ein paar wenigen Strukturparametern ab, wie der durchschnittlichen Wandstärke, der Form der Grenzfläche zwischen Komponenten und von Materialdaten. Dieses direkte Feld kann dadurch ermittelt werden, indem alle Reflexionen von „unsicheren“ Grenzen eliminiert werden, d.h. indem alle Wellen, die sich in Richtung dieser „unsicheren“ Grenzen ausbreiten, zunehmend dissipiert werden. In der Area NVH & Friction des VIRTUAL VE- HICLE wird eine Methode entwickelt, die eine solche spezifische Dissipation durch Verwendung einfacher, gängiger hydraulische Dämpfer ermöglicht. Diese Methode soll Informationen zum genauen Dämpfungsmaß und der Positionierung der Dämpfer liefern und zu einem stabilen und effizienten Rechenmodell führen, das in jeden kommerziellen FEM Code implementiert werden kann. Abb. 1 zeigt ein Beispiel für die Anwendung der Methode, bei der die Transfer-Admittanz zwischen zwei Punkten eines Ölwannen-
Verbindungsflansches dargestellt ist. Diese Admittanzen charakterisieren die Ölwanne wie sie vom Rest der Motorstruktur „gesehen“ wird. Während der Optimierung des Motors wird die Ölwanne vorzugsweise durch eine generische Struktur ersetzt, da der Motor auch bei unterschiedlichen Arten von Ölwannen eine optimale NVH Performance aufweisen muss. In Abb. 1 beschreibt die glatte rote Kurve die der äquivalenten Struktur der Ölwanne, welche mit Hilfe der neuen Methode ermittelt wurde, während Stand der Technik Bisherige NVH Analysen von Motorkomponenten bei Verbrennungsmotoren wurden mit Hilfe von Messungen und/oder Berechnung vorwiegend am Gesamtsystem durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse zeigten, welche Motorkomponenten die größten Beiträge zur Schallabstrahlung leisten. Dies sind jene Komponenten mit großen Oberflächen und hohen Schwingschnellen an der Oberfläche, wie z.B. • Kurbelgehäuse • Ölwanne • Ventildeckel • Getriebegehäuse Neben der reinen Betrachtung der Schwingungen an der Bauteiloberfläche müssen bei der Beurteilung der Konstruktion des Motors auch die akustisch relevanten Anregungen in Betracht gezogen werden. Für die Schwingungen an der Motor- und Getriebeoberfläche spielen hauptsächlich innere Anregungen eine Rolle. Diese inneren Anregungen werden einerseits durch die Bewegungen der Bauteile, wie Kurbel-, Ventil-, Steuertrieb und Nebenaggregate und anderseits durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches verursacht. Präzise Analysen des Gesamtsystems können nur durchgeführt werden, wenn genug Informationen über die Komponenten vorhanden sind. die grüne Kurve die Admittanz der realen Ölwanne repräsentiert. Die starken Spitzen in der grünen Kurve resultieren von Vibrationsmoden, welche spezifische Eigenschaften von dieser bestimmten Ölwanne sind. Die äquivalente Struktur der Ölwanne beschreibt den Verlauf der Admittanz ohne das fallspezifische modale Verhalten. Man kann sich gut vorstellen, dass durch Mittelung über unterschiedliche Ölwannen Varianten die Eigenfrequenzen zu einer Auslöschung tendieren, was zu einer ähnlich In der frühen Konzept- und Konstruktionsphase ist dies aber nicht der Fall. Definition von NVH-Zielgrößen für die frühe Design-Phase In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Daimler AG, der AVL List GmbH und dem Institut für elektronische Musik der Kunstuniversität Graz (iem) wurde eine neue Vorgehensweise zur frühen NVH-Bewertung von Motoren entwickelt. Durch die Definition von relevanten NVH-Parametern am Motor-Teilsystem wird erreicht, dass bereits in der frühen Entwicklungsphase Bauteile effizienter ausgelegt, die akustischen Gesamtziele verbessert und die Robustheit von Motorkonzepten erhöht werden kann. Zusätzlich wurde mit dem iem eine Methode entwickelt, welche es ermöglicht die subjektiv empfundene Motorrauigkeit objektiv zu bewerten. Durch die Kombination von berechneten Anregungskräften an den Krafteinleitungspunkten in die Fahrzeugstruktur und gemessenen Übertragungsfunktionen von den Anregungsstellen zum Fahrerohr kann der Einfluss von Design- und Parameterstudien an Motorsubsystemen auf die Rauigkeit analysiert und beurteilen werden. Typische NVH-Größen von Komponenten sind z.B. Eigenfrequenzen und Übertragungsfunk- glatten Kurve wie für die generische Ölwanne in Abb. 1 führt. ■ Zum Autor Eugène Nijman ist wissenschaftlicher Leiter des Bereichs NVH & Friction bei VIRTUAL VEHICLE. Herausforderungen bei der virtuellen Akustikauslegung von Motoren Die mit den Firmenpartnern DAIMLER AG und AVL List GmbH entwickelten neuen Methoden zur Definition von relevanten NVH-Parametern am Motor-Teilsystem ermöglichen es, einzelne Bauteile bereits in der frühen Entwicklungsphase effizienter auszulegen. Damit können die akustischen Gesamtziele verbessert und die Robustheit von Motorkonzepten erhöht werden. Abb. 1: MAC Vergleich zwischen Gesamtsystem und Subsystem für die Ölwanne tionen. Zusätzlich zu diesen üblich verwendeten NVH-Größen wurden auch neue, weniger gebräuchliche Bewertungsgrößen wie z.B. die modale kinetische Energie und der Energiefluss zwischen Komponenten zur Analyse herangezogen. Anhand dieser Größen und der Definition entsprechender Randbedingungen ist es möglich, in ausgewählten Frequenzbereichen mittels Simulation tendenzielle Aussagen über das zukünftige NVH-Verhalten der Einzelkomponenten zu treffen, dies also ohne Verwendung des Motors als Gesamtsystem durchzuführen. Diese Methode ist bereits dann einsetzbar, wenn noch nicht alle Informationen zur Verfügung stehen, wie zum Beispiel das vollständige Design von Nachbarkomponenten des Motors. magazine Nr. 13, I-2013 7
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