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antriebstechnik 12/2015

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SIMULATION I SPECIAL Von

SIMULATION I SPECIAL Von der Entwicklung in die Praxis Hybride NVH-Simulation für elektrisch angetriebene Fahrzeuge S. Rick, D. Franck, K. Hameyer, M. Wegerhoff, G. Jacobs, J. Klein, M. Vorländer Bei Elektroantrieben für E-Fahrzeuge treten Probleme im Bereich Noise, Vibration, Harshness (NVH) auf. Um diese zu lösen wurde nun an der RWTH Aachen ein neues Simulations-Konzept erarbeitet. Die Ergebnisse lassen sich direkt für die Entwicklung elektrischer Antriebe verwenden. Hybride NVH-Modellbildung Durch die wachsende Anzahl von Fahrzeugmodellen mit Elektroantrieb ergeben sich vermehrt Noise, Vibration, Harshness (NVH) Problemstellungen. Elektrische Antriebe sind zwar inhärent leiser als Verbrennungsmotoren, jedoch wandelt sich die Charakteristik der von ihnen erzeugten akustischen Abstrahlung von den gewohnten und mittlerweile wohldesignten tieffrequenten hin zu sehr tonalen, höherfrequenten Signalen. Diese Signale liegen in einem wesentlich empfindlicheren Bereich des menschlichen Gehörs und werden im Zusammenspiel mit ihrer tonalen Zusammensetzung von den Fahrzeuginsassen als äußerst störend wahrgenommen. Das Forschungsvorhaben IGF Nr. 17453 N (FVA Nr. 682 I) liefert einen Beitrag zum Aufbau von Systemverständis und die Möglichkeit zur Entwicklung von akustischen Verbesserungen und Optimierungen. Die Zielsetzung ist die Entwicklung eines in- tegrativen Gesamtmodells zur akustischen Bewertung eines vollständig simulierten E- Motive Antriebsstrangs. Beginnend mit der Definition von Teilmodellen und entsprechenden Schnittstellen wird von den drei beteiligten Forschungsstellen, federführend dem Institut für elektrische Maschinen (IEM), dem Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) und dem Institut für Technische Akustik (ITA), ein vollständiges Gesamtmodell erarbeitet. Die Modellbildung wird als hybrides Konzept, bestehend aus Messung und Simulation, umgesetzt. Die elektromagnetische Modellbildung Das Modell zur Simulation der elektromagnetischen Kraftanregung im E-Fahrzeug beschreibt die Zusammenhänge beginnend bei der Sollwertvorgabe für das Traktionsdrehmoment bis hin zur Krafteinleitung der elektrischen Maschine auf das Fahrzeug. Zur Beschreibung der elektromagnetisch angeregten Kräfte in der elektrischen Maschine werden analytische und numerische Modelle entwickelt und kombiniert. Simulationen zur Auswertung der radialen und tangentialen Kräfteverteilung werden für den gesamten Betriebsbereich der elektrischen Maschine durchgeführt und im Frequenzbereich ausgewertet. Die Schnittstelle zum strukturdynamischen Modell wird über die Drehmomenteinprägung am Rotor und die Einleitung der radialen Kraftwellen an den Zahnköpfen des Stators realisiert. Zur Validierung der Modelle wird am Institut für Elektrische Maschinen (IEM) ein Maschinenprüfstand zur unabhängigen Vermessung der Maschine und Validierung des Maschinenmodells eingesetzt. Ein Antriebsstrangprüfstand zur Validierung des Dipl.-Ing. Sebastian Rick ist wissenschaftlicher Mitarbeiter, Dipl.-Ing. David Franck ist Oberingenieur und Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Kay Hameyer ist Institutsleiter am Institut für Elektrische Maschinen, RWTH Aachen Dipl.-Ing. Matthias Wegerhoff ist Bereichsleiter und Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs ist Institutsleiter am Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung, RWTH Aachen Dipl.-Ing. Johannes Klein ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Michael Vorländer ist Institutsleiter am Institut für Technische Akustik, RWTH Aachen 01 Lokale Kraftverteilung an den Statorzähnen der elektrischen Maschine 52 antriebstechnik 12/2015

SPECIAL I SIMULATION 03 Lautheitsvergleich eines Hochlaufs auf der Teststrecke (links) und in der Simulation (rechts). X-Achse in subjektiv äquidistanten Frequenzbändern (Bark). Y-Achse in linear empfundener Lautheit (sone) 02 Modelleigenschaften in der MKS-Umgebung Gesamtmodells wird aufgebaut. Dieser ermöglicht die Bewertung von Wechselwirkungen zwischen den Teilmodellen und Komponenten des Antriebsstrangs. Über eine Variation der die elektrische Maschine beschreibenden Parameter wird die Simulationskette zur Verbesserung des Magnetkreises hinsichtlich des akustischen Verhaltens untersucht. Zentrale Zielsetzung dabei ist die Identifikation von Auswirkungen dieser Parametervariation auf das akustische Verhalten des gesamten Fahrzeugs. Die Projektergebnisse des elektromagnetischen Modells werden in eine geschlossene Modellkette übertragen, die bis zur Kraftanregung in der elektrischen Maschine reicht. Die Simulation mit diesem Modell bietet die Möglichkeit zur Identifikation von Schwachstellen in der akustischen Auslegung der elektrischen Maschine und zur Untersuchung von Wechselwirkungen der Komponenten innerhalb des Gesamtantriebsstrangs und des Fahrzeugs selbst. Die strukturdynamische Modellbildung Der Modellaufbau erfolgt mit dem Mehrkörpersimulations (MKS)-Programm Simpack und wurde vom IME bearbeitet. Zur Berücksichtigung der Interaktion von Gehäusestruktur und Wellensystem werden die Bauteile elastisch in der Mehrkörpersimulation abgebildet und durch lastabhängige Kennfelder für die Verzahnung und Lagerung miteinander gekoppelt. In Zusammenarbeit mit dem IEM ist eine Schnittstelle zur Einbindung der elektromagnetischen Anregung in das MKS- Modell erarbeitet worden. Diese Schnitt stelle umfasst sowohl die Radialkraft anregung wie auch die Anregung aus dem Drehmoment. Die Modellbildung ist geprägt durch einen fortwährenden Validierungsprozess, beginnend beim Bauteil, über Baugruppen bis hin zum Antriebsstrangs des Fahrzeugs. Der Validierungsprozess ist hierbei nicht nur Mittel zum Zweck, sondern stellt den Prozess zur Bildung des Systemverständnisses dar. Einflussgrößen werden erkannt und durch die Erstellung von Ersatzmodellen physikalisch durchdrungen und verstanden. Das Modell ermöglicht die Berechnung von mehreren hundert relevanten Schwingungsmoden bis zu einer oberen Grenzfrequenz von 5 kHz. Das dynamische Verhalten des Modells ist bis zu einer Fahrgeschwindigkeit von 60 km/h und einer Grenzfrequenz von 5 kHz validiert. Die Möglichkeiten der Ergebnisaufbereitung sind bei einem bestehenden MKS-Modell vielfältig. Neben Verschiebungen, Schnellen und Beschleunigungen können Lasten an zahlreichen Stellen bestimmt werden. Besonders hilfreich für das Verständnis des Zusammenwirkens der Systemkomponenten ist die Begutachtung der Animation der Schwingungsformen. Auf diese Weise können gekoppelte Schwingungsformen zwischen Wellen und Gehäusen betrachtet und durch Parameterstudien gezielt beeinflusst werden. Binaurale Synthese Das Ergebnis der MK-Simulation ist die Schwingungsschnelle auf der Oberfläche des Antriebsstrangs, sowie die Kraft und Schnelle an dessen Kopplungspunkten mit dem Chassis. Basierend auf diesen Werten wird das in den Fahrzeuginnenraum eingetragene Schalldrucksignal vom ITA berechnet. Berücksichtigt werden in dieser Simulation die Luftschall-Luftschall, sowie die Körperschall-Luftschall Transferpfade durch die Fahrzeugstruktur in die Fahrgastzelle. Die Definition der Schnittstellen zwischen der akustischen und der MK-Simulation ergibt sich aus den gewählten Modell beschränkungen. Die mechanischen Kopplungspunkte sind die Anregungspunkte für den Körperschall. Unter Annahme einer zu vernachlässigenden Quellimpedanz des Antriebsstrangs können die simulierten Kräfte direkt als die Anregungskräfte der Fahrzeugstruktur angenommen werden. Für den Luftschall muss zunächst die verursachte Abstrahlung basierend auf der Oberflächenschnelle des Antriebs berechnet werden. Für diese Berechnung wird ein analytisches Zylinderabstrahlungsmodell verwendet. Bei Vernachlässigung von Frequenzanteilen über 5 kHz ergeben sich 216 effektiv benötigte Stützstellen für welche der resultierende Gesamtschalldruck an sechs Punkten auf einer Kugelfläche um den Antrieb errechnet wird. Die vom Antriebsstrang erzeugten Anregungskräfte und Schalldrücke werden mit entsprechenden in einem Versuchsfahrzeug gemessenen binauralen Transferpfaden verarbeitet. So werden die Signale an die Position der Fahrerohren weitergeleitet. Die sich ergebenden binauralen Signale werden superponiert und ergeben so das letztendliche Simulationsergebnis. Die binauralen Signale ermöglichen neben einer objektiven Bewertung der Schalldrucksignale auch die Auswertung hinsichtlich psychoakustischer Parameter wie z. B. der Lautheit. Unter Berücksichtigung des Fehlens von Störgeräuschen wie z. B. Reifen, Regen oder Umgebung in der Simulation und der damit verbundenen Verdeckung ist eine charakteristische Ähnlichkeit der Lautheit zu erkennen. Projektergebnis Mit dem entwickelten integrativen Simulationsmodell wurden effektive Verbesserungen zur Resonanzvermeidung bzw. zur Verminderung elektromagnetischer Anregungen durchgeführt und auralisiert. Die Ergebnisse sind allgemeingültig und lassen sich direkt bei der Entwicklung elektrischer Antriebe verwenden. Eine Weiterentwicklung des Modells bezüglich einer größeren Realitätsnähe ist in Vorbereitung. www.iem.rwth-aachen.de www.ime.rwth-aachen.de www.akustik.rwth-aachen.de antriebstechnik 12/2015 53

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