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antriebstechnik 11/2016

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KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE NVH-Bewertung von Antriebsstrang- Varianten in der Software SimulationX 01 Mario Schwalbe und Martin Ebert Dieser Artikel beschreibt eine Methodik zur MKS-Simulation von Antriebsstrang-Varianten in modernen Kraftfahrzeugen in der frühen Entwicklungsphase auf Basis einer digitalen Datenbank mit der Software SimulationX eines Dresdener Unternehmens. Im Fokus stehen dabei Torsionsschwingungsanalysen für aktuelle Downsizing-Konzepte in Verbindung mit dem Aufzeigen von Optimierungspotenzial hinsichtlich der NVH-Eigenschaften. D urch einen deutlich erhöhten Komfortanspruch der Automobil-Kunden hinsichtlich Schwingungs- und Akustikphänomenen des Antriebsstranges wächst der Stellenwert einer rechnerischen NVH-Bewertung (Noise Vibration Harshness) in der sehr frühen Entwicklungsphase, d. h. lange bevor entsprechende Hardware-Komponenten für Tests zur Verfügung stehen. In Abhängigkeit des zu betrachtenden Frequenzbereiches existieren unterschiedliche Simulationsmethoden, welche sich im Entwicklungsprozess idealerweise ergänzen, über Schnittstellen miteinander kommunizieren und letztendlich durch Tests bestätigt werden. In diesem Artikel wird eine Methodik beschrieben, mit der Komponenten des Antriebsstranges wie Motor, Zweimassenschwungrad (ZMS), Getriebe und Antriebswellen mit der Software SimulatonX erstellt und in eine Datenbank für mehrere Antriebsstrang-Varianten eingebun- Dipl.-Ing. Mario Schwalbe ist Teamleiter NVH-Berechnung bei der IAV GmbH in Stollberg Dipl.-Ing. (FH) Martin Ebert ist Berechnungsingenieur MKS bei der IAV GmbH in Stollberg den werden. Anschließend ist damit eine schnelle Bewertung von torsionalen Antriebsstrang-Phänomenen möglich. Herausforderungen an den NVH-Entwicklungsprozess Aktuelle Verbrennungsmotoren sind durch deutliche erhöhte Schwingungsamplituden der rotierenden Kurbelwelle gekennzeichnet, wodurch es zu einer akustisch kritischen Rasselanregung des nachfolgenden Getriebes im Antriebsstrang kommen kann. In der frühen Entwicklungsphase des Antriebsstranges ergeben sich dabei für die Kunden der Automobilindustrie oft die folgenden Fragen: Wie wirkt sich ein neuer Turbo-Motor in einem vorhandenen Antriebsstrang aus? Welche optimale Torsionsentkopplung gibt es für die Schwingungen vom Motor zum Getriebe? Wie verhält sich die Schwingungsanregung bei Zylinderabschaltung als populäre Downsizing-Maßnahme? Und: Wird das Getriebe in manchen Gängen zum Rasseln angeregt? In Bild 01 ist ein typisches Torsionsschwingungsmodell für einen frontgetriebenen Pkw-Antriebsstrang mit Doppelkupplungsgetriebe dargestellt, in dem die einzelnen Komponenten durch ihre Masse- und Steifigkeitseigenschaften abgebildet sind und bezüglich Motoranregungen im Zeitbereich simuliert werden. Dabei handelt es sich um ein typisches Anwendungsgebiet für eine Mehrkörpersystem-Simulation (MKS-Simulation). Ergebnisse einer solchen MKS-Simulation sind die maximalen Torsionsmomente an der Kurbelwelle des Motors, die erste Torsions-Eigenfrequenz der Kurbelwelle und die kritischen Motorordnungen und Schwingungsamplituden hinsichtlich ihrer Drehungleichförmigkeit zur Auslegung des Torsionsschwingungsdämpfers zwischen Motor und Getriebe. Nutzung einer Antriebsstrang-Datenbank Die nachfolgend vorgestellte Simulationsmethode beschreibt die Erstellung und Anwendung einer digitalen Datenbank für erste NVH-Bewertungen in der frühen Entwicklungsphase. Aufgrund der zunehmenden Anzahl von Fahrzeug-Derivaten der Automobil-Hersteller erscheint es sinnvoll, für die NVH-relevanten Komponenten 112 antriebstechnik 11/2016

KOMPONENTEN UND SOFTWARE 02 03 04 01 MKS-Modell eines Antriebsstranges in der Software SimulationX 02 Modularer Aufbau der Datenbank 03 Vergleich verschiedener Antriebsstrang-Varianten hinsichtlich der Motoranregung 04 Optimierung der dynamischen Eigenschaften eines Zweimassenschwungrades (ZMS) dieser Fahrzeuge eine modulare Antriebsstrang-Bibliothek zu erstellen, deren Prinzip in Bild 02 dargestellt ist. Auf der ersten Detaillierungsebene der Datenbank befinden sich die Simulationsmodelle für die Komponenten Motor, ZMS, Getriebe usw., welche bereits auf der Basis von Konstruktionsdaten und Erfahrungswerten parametrisiert sind. Hierbei können vorhandene Excel-Datenblätter mit den relevanten physikalischen Eigenschaften automatisch in die Modellstruktur überführt werden. In der nachfolgenden Ebene sind die einzelnen Komponenten mithilfe der Funktion Typedesigner der Software SimulationX in „Compounds“ zusammengefasst. Per Drag-and-Drop-Funktion können diese zu den gewünschten Antriebsstrang-Modellen verbunden werden. Auf der höchsten Ebene der Datenbankstruktur werden die simulationsfähigen Modelle mittels Modalanalyse berechnet und hinsichtlich ihrer dynamischen Eigenschaften plausibilisiert. Unmittelbar danach schließen sich verschiedene Simulationen im Zeitbereich an, welche eine noch gezieltere NVH-Bewertung gestatten. Downsizing-Konzepte simulieren und bewerten Ein typisches Beispiel ist der Vergleich von verschiedenen Motorarten entsprechend der Zylinderanzahl (hier für einen 3- und 4-Zylindermotor) und der Möglichkeit zur Zylinderabschaltung (hier für ZAS von 4- auf 2-Zylinder). Diese aktuellen Downsizing- Konzepte werden auf Basis von Antriebsstrangmodellen aus der Datenbank für einen Motorhochlauf unter Volllast simuliert und bewertet (Bild 03). Im Vergleich der Winkelbeschleunigungen an der Kurbelwelle, d. h. an der Primärseite des anschließenden ZMS, sind die hohen Schwingungsamplituden des 3-Zylinder-Motors auffällig, welche sich nahezu über den gesamten Drehzahlbereich erstrecken. Damit ergibt sich eine hohe Rasselanregung für das nachfolgende Getriebe. Für den 4-Zylinder- Motor sind im relevanten Drehzahlbereich des Motors zwischen 1 500 und 2 000 1/min die höchsten Amplituden zu erkennen, welche gegebenenfalls durch eine Optimierung des ZMS oder ein zusätzlich verwendetes Fliehkraftpendel für die 2. Motorordnung reduziert werden müssen. Dieser 4-Zylinder- Motor ist im ZAS-Betrieb als 2-Zylinder- Motor bezüglich der 1. Motorordnung auffällig, deren Amplituden im Drehzahlbereich ab 4 000 1/min die Anregungen aus dem Vollmotorbetrieb übersteigen. Mathematische Optimierung Der nächste Schritt zur Entwicklung der Datenbank ist durch die Einbeziehung der mathematischen Optimierung in den Simulationsprozess gekennzeichnet. Nachfolgend ist in Bild 04 ein Beispiel aufgeführt, bei dem das dynamische Verhalten eines ZMS für einen Frontantriebstrang quasi über Nacht hinsichtlich der Torsionsentkopplung optimiert wurde. Aufgrund der geringen Rechenzeit der aus der Datenbank abgeleiteten Simulationsmodelle sind umfangreiche Parameterstudien und Sensibilitätsanalysen möglich, welche zum einen den schnellen Abgleich der Ergebnisse mit vorliegenden Messwerten gestatten und zum anderen eine gezielte NVH-Optimierung von Komponenten auf die Zielwerte der Kunden ermöglichen. Die vorgestellte Simulationsmethode gestattet die Einbeziehung erster NVH-Bewertungen des Antriebsstranges in der frühen digitalen Phase des Entwicklungsprozesses und schließt damit unmittelbar an die Konzeptphase an. Gemeinsam mit weiteren Berechnungen wie Finite-Elemente-Methode (FEM) und Strömungsmechanik ist die vorgestellte Mehrkörper-Simulation ein geeignetes Werkzeug zur Verkürzung des Entwicklungsprozesses und zur Reduzierung von aufwendigen Versuchen und kostenintensiven Prototypen. Die Einbeziehung von weiteren Routinen zur Abbildung der Funktionen der Motor- und Getriebeapplikation und die Weiterentwicklung in Hinsicht auf Hybrid-Antriebsstränge mit Einbeziehung der elektromotorischen Anregungen stehen im Fokus der nächsten Aktivitäten. www.simulationx.de antriebstechnik 11/2016 113

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