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Lärm, Vibration und Harshness (NVH) ist die Untersuchung und Modifikation der Geräusch- und Vibrationseigenschaften von Fahrzeugen, insbesondere von PKW und LKW. Sie beeinflusst den Komfort, die wahrgenommene Qualität, die Ermüdung und sogar den wahrgenommenen Wert eines Fahrzeugs. In der modernen Automobiltechnik ist die NVH-Leistung zu einem entscheidenden Unterscheidungsmerkmal zwischen Fahrzeugmarken und -modellen geworden, was sich direkt auf die Kundenzufriedenheit und den Ruf der Marke auswirkt. Die allgemeine Wahrnehmung der Fahrzeugqualität hängt erheblich von den internen Geräuscheigenschaften ab. Zu verstehen, wie man NVH-Werte genau berechnet und vorhersagt, ermöglicht es Ingenieuren, Fahrzeuge zu entwerfen, die eine überlegene Fahrqualität, eine geringere Ermüdung des Fahrers und ein verbessertes Fahrerlebnis insgesamt bieten.

Dieser umfassende Leitfaden untersucht die Methoden, Techniken und Werkzeuge, die zur Berechnung von NVH-Werten im Fahrzeugdesign verwendet werden, von grundlegenden Konzepten bis hin zu fortschrittlichen Berechnungsmethoden. Ob Sie ein Automobilingenieur, Designprofi oder Student der Fahrzeugdynamik sind, dieser Artikel bietet detaillierte Einblicke in die Wissenschaft und Praxis der NVH-Analyse.

NVH verstehen: Die drei Komponenten

NVH steht für Noise, Vibration and Harshness, eine Kerndisziplin der Automobiltechnik, die sich darauf konzentriert, wie unerwünschter Schall und mechanische Bewegung in einem Fahrzeug erzeugt, übertragen und wahrgenommen werden. Während diese drei Elemente oft zusammen diskutiert werden, stellt jedes einen bestimmten Aspekt der Fahrzeugleistung dar, der spezifische Analyseansätze erfordert.

Lärm: Die Audible Komponente

Lärm ist ein unerwünschter Schall, der von mehreren Quellen in einem Fahrzeug erzeugt werden kann, wie Motor, Getriebe, Reifen und Wind. Lärm liegt zwischen 20 Hz und 5000 Hz, was dem Bereich der menschlichen Hörempfindlichkeit entspricht. Das menschliche Ohr erkennt Geräusche in einem Bereich von 20-20.000 Hz.

Innenbereich NVH befasst sich mit Lärm und Vibrationen, die von den Insassen der Kabine erfahren werden, während Außenbereich NVH weitgehend mit dem vom Fahrzeug abgestrahlten Lärm befasst ist und die Prüfung von Fahrgeräuschen umfasst. Fahrzeuggeräusche können in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden: Körperschall und Luftschall. In der Akustik wird zwischen zwei Arten von Schall unterschieden: Körperschall und Luftschall. Fahrzeugakustik ist immer eine Kombination aus beiden. Körperschall wird von schwingenden Bauteilen oder dem gesamten Fahrzeug erzeugt. Luftschall wird durch die Ausbreitung von Druckwellen in der Luft und in den Bauteilen verursacht.

NVH können tonal sein, wie Motorgeräusche, oder breitbandig, wie Straßenlärm oder Windgeräusche, normalerweise Tongeräusche, die typischerweise von rotierenden Bauteilen stammen und unterschiedliche Frequenzeigenschaften aufweisen, während Breitbandgeräusche ein breiteres Frequenzspektrum umfassen und oft aus aerodynamischen Wechselwirkungen oder Straßenoberflächen resultieren.

Vibration: Die mechanische Oszillation

Vibration bezeichnet die Schwingung einer Fahrzeugkomponente oder des gesamten Fahrzeugs, wobei die Vibration durch Frequenz, Amplitude und Richtung gekennzeichnet ist. Vibrationen liegen zwischen 0,5 Hz und 50 Hz, was den unteren Frequenzbereich darstellt, den Fahrgäste durch Kontakt mit Fahrzeugoberflächen physisch spüren können.

Niederfrequente Schwingungen werden oft als Rütteln oder Aufdringen empfunden, während höherfrequente Schwingungen als summendes Gefühl durch das Lenkrad oder die Pedale wahrgenommen werden können. Vibrationen werden am Lenkrad, am Sitz, an den Armlehnen oder am Boden und an den Pedalen wahrgenommen. Die Quellen für Schwingungen in Fahrzeugen sind zahlreich und umfassen Motorunwuchten, Antriebskomponenten, Fahrwerksaufhängungen und Unregelmäßigkeiten der Fahrbahnoberfläche.

Die Ingenieure von NVH verwenden Isolationskomponenten, einschließlich Halterungen, Durchführungen und Unterrahmen, um zu verhindern, dass Vibrationen in den Fahrgastraum gelangen.

Harshness: Die subjektive Erfahrung

Während Lärm und Vibration leicht gemessen werden können, ist Härte eine subjektive Qualität und wird entweder durch Jury-Bewertungen oder mit analytischen Werkzeugen gemessen, die Ergebnisse liefern können, die menschliche subjektive Eindrücke widerspiegeln. Harschheit ist die subjektive menschliche Reaktion auf plötzliche oder unregelmäßige Kräfte. Es geht nicht darum, wie laut etwas ist, sondern wie abrupt Energie an den Körper abgegeben wird.

Harshness ist die Wahrnehmung von Unannehmlichkeiten, die durch Vibrationen oder Geräusche verursacht werden. Ein Fahrzeug kann leise sein und sich dennoch rauh anfühlen. Beispielsweise kann eine steife Aufhängung scharfe Stöße von Schlaglöchern übertragen, selbst wenn der Geräuschpegel niedrig ist. Harshness nimmt die Kopplung von Lärm und Vibrationen auf.

Die letztgenannten Werkzeuge gehören zum Bereich der Psychoakustik. Die psychoakustische Analyse hilft Ingenieuren zu verstehen, wie Menschen unterschiedliche Klangqualitäten wahrnehmen und darauf reagieren, so dass sie nicht nur die Menge des Rauschens, sondern auch seinen Charakter und seine Qualität optimieren können.

Die Bedeutung der NVH-Analyse im Fahrzeugdesign

Die Leistung von NVH-Fahrzeugen kann das Markenimage leicht verändern oder brechen, daher ist es wichtig, NVH-Probleme frühzeitig in der Entwurfsphase anzugehen. Die Bedeutung von NVH geht über reine Komfortüberlegungen hinaus und umfasst mehrere kritische Aspekte der Fahrzeugentwicklung und des Markterfolgs.

Kundenzufriedenheit und Markenwahrnehmung

Die Kundenzufriedenheit wird stark von den NVH-Eigenschaften eines Fahrzeugs beeinflusst. Eine ruhige und reibungslose Fahrt kann ein wichtiges Verkaufsargument für ein Fahrzeug sein, während übermäßiger Lärm und Vibrationen zu Kundenbeschwerden und einem negativen Ruf für den Hersteller führen können. Premium-Automobilmarken investieren stark in die NVH-Verfeinerung, um ihre Produkte zu differenzieren und höhere Preispunkte zu rechtfertigen.

Je niedriger der Geräusch- und Vibrationspegel eines Fahrzeugs ist, desto höher wird sein Fahrkomfort bewertet. In wettbewerbsintensiven Automobilmärkten ist die NVH-Leistung oft ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal zwischen Fahrzeugen im gleichen Segment, das Kaufentscheidungen und langfristige Markenbindung beeinflusst.

Sicherheit und Fahrermüdigkeit

Reduzierte Geräuschschwingungen und Härten im Automobil verhindern Ermüdung des Fahrers. Längere Exposition gegenüber übermäßigem Lärm und Vibrationen können zu erhöhten Belastungen, reduzierter Konzentration und schnellerem Einsetzen von Ermüdung während langer Fahrten führen. Durch die Minimierung der NVH-Werte tragen Ingenieure zu sichereren Fahrbedingungen und verbesserter Aufmerksamkeit des Fahrers bei.

Übermäßige Vibrationen können Teile im Laufe der Zeit beschädigen. Richtige NVH-Lösungen helfen, solche Probleme zu vermeiden. Über unmittelbare Komfortbedenken hinaus kann eine schlechte NVH-Leistung auf mechanische Probleme hinweisen oder dazu beitragen, die die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Fahrzeugs beeinträchtigen können.

Einhaltung der Vorschriften

Es ist von wesentlicher Bedeutung, dass ein Fahrzeug die gesetzlichen Anforderungen an Lärm und Emissionen erfüllt.Viele Länder und Regionen haben strenge Vorschriften für den Lärmpegel im Inneren und im Außenbereich von Fahrzeugen festgelegt.

Frühe Design Integration

Diese werden früh im Entwurfsprozess benötigt, da die Lösungen oft erhebliche Änderungen am Entwurf erfordern, was zu technischen Änderungen führt, die bei frühzeitiger Durchführung viel kostengünstiger sind.

Diese frühen Prototypen sind sehr teuer, so dass es großes Interesse an computergestützten Vorhersagetechniken für NVH gab. Die Entwicklung ausgeklügelter Simulationswerkzeuge hat es Ingenieuren ermöglicht, die NVH-Leistung virtuell vorherzusagen und zu optimieren, wodurch der Bedarf an mehreren physischen Prototypen reduziert und die Entwicklungszeitlinien beschleunigt wurden.

Quellen von NVH in Fahrzeugen

Die Ursachen von Lärm und Vibrationen sind von grundlegender Bedeutung für eine effektive NVH-Analyse und -Abschwächung. Viele Probleme werden entweder als Vibrationen oder als Lärm erzeugt, über verschiedene Wege übertragen und dann akustisch in die Kabine abgestrahlt. Fahrzeug-NVH-Quellen können in mehrere Hauptgruppen eingeteilt werden, von denen jede spezifische Analyse- und Steuerungsstrategien erfordert.

Antriebsquellen

Lärmphänomene umfassen in erster Linie alle Geräusche, die vom Antriebsstrang ausgehen. Der Motor, das Getriebe und die zugehörigen Komponenten erzeugen sowohl Ton- als auch Breitbandgeräusche durch Verbrennungsprozesse, mechanische Wechselwirkungen und rotierende Ungleichgewichte.

Motoren erzeugen auch Mehrfachschwingungen, wobei der Drehkraft bzw. dem Drehmoment eine Motorschwingung erster Ordnung zugeordnet ist, die über Motorlager auf die Fahrzeugstruktur übertragen werden kann, wo sie durch strukturelle Resonanzen verstärkt oder direkt auf den Fahrgastraum übertragen werden kann.

Wechselwirkungen zwischen Straße und Reifen

Unregelmäßigkeiten der Fahrbahnoberfläche reizen das Federungssystem an und erzeugen Vibrationen, die sich durch das Fahrgestell in die Kabine ausbreiten. Die Wechselwirkungen zwischen Reifen und Straße erzeugen sowohl Aufprallgeräusche aus diskreten Ereignissen als auch Dauergeräusche aus Reifenlaufflächenmustern und Straßenbeschaffenheit. Der Frequenzgehalt und die Amplitude der straßenbedingten NVH variieren erheblich mit der Qualität der Fahrbahnoberfläche, der Fahrzeuggeschwindigkeit und den Reifeneigenschaften.

Eine Möglichkeit, NVH in Ihrem Fahrzeug zu reduzieren, besteht darin, hochwertige Reifen zu verwenden, die Geräusche und Vibrationen absorbieren. Das Reifendesign spielt eine entscheidende Rolle bei der Verwaltung des Straßenlärms, wobei Faktoren wie Laufflächenmuster, Zusammensetzung der Zusammensetzung und Bauweise die NVH-Leistung beeinflussen.

Aerodynamische Quellen

Windgeräusche werden bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten immer stärker, die durch Luftströmungstrennung, Turbulenzen um Spiegel und Säulen sowie Druckschwankungen an Türdichtungen und Fensterlücken entstehen. Aerodynamische Geräusche haben typischerweise einen breitbandigen Charakter und nehmen mit der Fahrzeuggeschwindigkeit dramatisch zu, oft nach einem Leistungsgesetzverhältnis.

Elektrische und elektronische Komponenten

Elektrische (z. B. elektromagnetisch induzierte akustische Geräusche und Vibrationen, die von elektrischen Aktoren, Generatoren oder Traktionsmotoren in Elektroautos stammen) Quellen haben bei der Fahrzeugelektrifizierung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Elektromotoren, Leistungselektronik und Hochspannungssysteme stellen neue NVH-Herausforderungen dar, die sich grundlegend von herkömmlichen Verbrennungsmotorgeräuschen unterscheiden.

Die Herausforderung des Elektrofahrzeugs

Traditional internal combustion engines (ICEs) generate a certain noise level that often masks other sounds within the vehicle. However, EVs, which are quieter due to the absence of an ICE, bring to the forefront other noise sources, such as road noise, wind noise, and sounds from electrical components.

Mit der Beseitigung der vorherrschenden Lärmquelle – des Verbrennungsmotors – sowie des Leichtbaus werden andere Vibrationsquellen und Lärm sichtbar. Elektro- und Hybridfahrzeuge stellen neue NVH-Herausforderungen dar, da sie Verbrennungsgeräusche entfernen, die einst sekundäre Geräusche maskierten. Dieses Phänomen hat Automobilingenieure dazu veranlasst, neue Ansätze für das NVH-Management zu entwickeln, wobei sie sich auf zuvor kleinere Lärmquellen konzentrieren, die jetzt für Insassen wahrnehmbar sind.

Grundlegende Prinzipien der NVH-Berechnung

Die Berechnung der NVH-Werte erfordert das Verständnis der grundlegenden Physik der Vibration und Akustik sowie der mathematischen Rahmenbedingungen, die zur Modellierung dieser Phänomene verwendet werden.

Frequenzbereichsanalyse

Die meisten NVH-Analysen werden im Frequenzbereich durchgeführt, wo Schwingungen und Geräusche in ihre konstituierenden Frequenzkomponenten zerlegt werden.Dieser Ansatz ermöglicht es Ingenieuren, spezifische problematische Frequenzen zu identifizieren und zu verstehen, wie verschiedene Quellen zur gesamten NVH-Signatur beitragen.

Vibrationen und Geräusche werden beide als Wellen pro Sekunde, Hertz (Hz), ausgedrückt, die später ausführlich diskutiert werden. Die Frequenzanalyse zeigt den spektralen Inhalt von NVH-Phänomenen, so dass Ingenieure zwischen verschiedenen Quellentypen unterscheiden und Resonanzbedingungen identifizieren können.

Amplituden- und Intensitätsmessungen

Die Amplitudenmessungen quantifizieren die Größe der Schwingungen oder Schalldruckpegel und liefern objektive Messgrößen für den Schweregrad der Schallwellen. Bei Schwingungen kann die Amplitude je nach Frequenzbereich und Anwendung als Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung ausgedrückt werden.

Schallintensitäts- und Schalldruckpegelmessungen charakterisieren akustische Phänomene, die typischerweise in Dezibel (dB) bezogen auf Referenzwerte ausgedrückt werden, wobei unterschiedliche Gewichtungskurven, wie z. B. A-Gewichtung, die frequenzabhängige menschliche Hörempfindlichkeit berücksichtigen.

Modales Verhalten und Resonanz

Ziel der Modalanalyse ist es, die Eigenfrequenzen, Dämpfungsverhältnisse und Modenformen einer Struktur zu identifizieren. Jede Struktur besitzt charakteristische Schwingungsmoden, bei denen sie bei Anregung natürlich schwingt. Die Frequenz (Hz), bei der dies auftritt, ist der Resonanzpunkt.

Einer der wesentlichen Einflussfaktoren auf den Geräuschpegel im Fahrzeuginnenraum ist die Luftvolumenresonanz, die durch die Koaleszenz der Eigenschwingungsfrequenzen des Luftvolumens und der Eigenschwingungsfrequenzen der Karosserieteile hervorgerufen wird, wobei bei Übereinstimmung der Anregungsfrequenzen mit strukturellen oder akustischen Eigenfrequenzen eine Resonanzverstärkung auftritt, die den Schwingungs- und Geräuschpegel dramatisch erhöht.

Der Schalldruckanstieg bei Resonanz übersteigt die Spitzenwerte, die nur durch die Anregung durch Vibrationen der Karosserieteile verursacht werden, und ist daher für eine effektive NVH-Regelung von entscheidender Bedeutung.

Berechnungsmethoden für die NVH-Berechnung

Moderne NVH-Analysen beruhen stark auf computergestützten Simulationstechniken, die es Ingenieuren ermöglichen, das Fahrzeugverhalten vorherzusagen, bevor physische Prototypen gebaut werden. In den letzten drei Jahrzehnten wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) häufig verwendet, um den Lärm- und Vibrationsgrad eines Fahrzeugs vorherzusagen. Mit der neuesten Technologie der Computer Aided Engineering (CAE) -Simulation kann die Berechnungszeit für die NVH-Analyse von wenigen Tagen auf nur wenige Stunden reduziert werden.

Finite Element Analysis (FEA)

Die Modalanalyse in der Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist eine der am häufigsten verwendeten Techniken in der Strukturdynamik- und Schwingungsanalyse. Durch die Vorhersage von Eigenfrequenzen und entsprechenden Modenformen können Ingenieure vorhersagen, wie sich Strukturen unter dynamischen Belastungsbedingungen verhalten. Dieser Leitfaden erklärt die Grundlagen der Modalanalyse, ihre mathematische Grundlage und praktische Anwendungen mit Software der Finite-Elemente-Methode (FEM) für den Maschinenbau, Bauwerke und andere technische Bereiche.

FEA teilt komplexe Fahrzeugstrukturen in Tausende oder Millionen kleiner Elemente auf, die an Knoten angeschlossen sind, wodurch ein mathematisches Modell entsteht, das numerisch gelöst werden kann. Für NVH-Anwendungen ermöglicht FEA die Berechnung struktureller Eigenfrequenzen, Modenformen, Frequenzgangfunktionen und Spannungsverteilungen unter dynamischer Belastung.

Die rechnerische Analyse der Leistung von Kraftfahrzeuggeräuschen, Vibrationen und Härte (NVH) wird am häufigsten mit modenbasierten Finite-Elemente-Verfahren durchgeführt. Die Genauigkeit solcher Analysen erhöht sich, wenn der zugehörige Frequenzbereich erhöht wird, um einen größeren Teil des hörbaren Spektrums abzudecken. Die erhöhte Genauigkeit geht jedoch zu Lasten der Modellgröße; die Mesh-Verfeinerung muss erhöht werden, um höhere Frequenzmodi genau zu erfassen.

Modale Analyse mit FEA

Die Modalanalyse ist ein Verfahren zur Vorhersage der NVH-Eigenschaften eines Fahrzeugs. Die Ergebnisse der Modalanalyse können verwendet werden, um die Reaktion einer Struktur auf verschiedene Belastungen vorherzusagen und die Quellen von Lärm und Vibrationen zu identifizieren.

MSC NASTRAN führt eine Modalanalyse zwischen 0 und 50 Hz durch, die die kritischen Körpermoden erfasst, die die Fahrqualität und die strukturelle NVH erheblich beeinflussen. Die Analyse des Normalmodus wird am Trimmed Body durchgeführt, um die Eigenfrequenz der Lenkung und der Fahrzeugresonanz zu untersuchen.

Anmerkung: Modale Analyse liefert keine Informationen über die Größe von Verschiebungen, Spannungen oder Kräften. Sie liefert nur die Frequenzen und Verformungsmuster, in denen Resonanz auftreten kann. Modale Analyse dient als Grundlage für detailliertere Berechnungen der erzwungenen Reaktion, die tatsächliche Vibrations- und Geräuschpegel unter Betriebsbedingungen vorhersagen.

Vibro-akustische FEA

Für das Mittelfrequenzband gibt es verschiedene Methoden, wie die vibro-akustische Finite-Elemente-Analyse und die Randelement-Analyse. Vibro-akustische FEA koppelt strukturelle und akustische Domänen, was eine Vorhersage ermöglicht, wie strukturelle Schwingungen Schalldruck in der Fahrzeugkabine erzeugen.

Die Themen, die in dem Papier behandelt werden, umfassen die Berechnung von akustischen Moden und Resonanzfrequenzen des Fahrgastraums, die Wirkung von flexiblen Wandplatten auf die Hohlraumakustik, die Methoden der direkten und modalen Kopplung der strukturellen und akustischen Fahrzeugsysteme und die Zwangsschwingungsanalyse, die die Techniken zur Berechnung von Panel-erregtem Lärm und zur Identifizierung kritischer Panels um den Fahrgastraum illustriert.

Frequenzabhängige Modellierungsansätze

Unterschiedliche Frequenzbereiche erfordern unterschiedliche rechnerische Ansätze für optimale Genauigkeit und Effizienz. Wenn das betrachtete Phänomen unter beispielsweise 25-30 Hz, dem Leerlaufschütteln des Antriebsstrangs, auftritt, kann ein Mehrkörpermodell verwendet werden. Wenn das betrachtete Phänomen hingegen bei relativ hoher Frequenz auftritt, beispielsweise über 1 kHz, kann ein Modell der statistischen Energieanalyse (SEA) ein besserer Ansatz sein.

Diese frequenzabhängige Strategie erkennt an, dass niederfrequente Phänomene globale strukturelle Moden mit langen Wellenlängen beinhalten, während hochfrequentes Verhalten durch lokale Moden und statistische Energieverteilung gekennzeichnet ist. Der Mittelfrequenzbereich stellt besondere Herausforderungen dar, die hybride Ansätze erfordern, die deterministische und statistische Methoden kombinieren.

Statistische Energieanalyse (SEA)

Für die Hochfrequenz-NVH-Analyse, bei der die Verkehrsdichte sehr hoch und die deterministische Vorhersage unpraktisch wird, bietet die Statistische Energieanalyse eine effiziente Alternative. SEA modelliert das Fahrzeug als eine Sammlung gekoppelter Teilsysteme und berechnet den Energiefluss zwischen ihnen, wobei die durchschnittlichen Ansprechwerte anstelle detaillierter räumlicher Verteilungen vorhergesagt werden.

SEA ist besonders wertvoll für die Analyse von Breitbandanregungsquellen und die Vorhersage von Innenrauschen bei Frequenzen über etwa 500-1000 Hz, wo traditionelle FEA rechnerisch unerschwinglich wird.

Grenzelementmethode (BEM)

Die Boundary-Element-Methode ist besonders nützlich für die Vorhersage von akustischer Strahlung und Außengeräuschen. BEM diskretisiert nur die Oberflächen von akustischen Domänen und nicht deren Volumina, wodurch sie effizient für die Analyse der Schallausbreitung in unbegrenzten Räumen wie der Akustik von Fahrzeugen und Vorbeifahrgeräuschen ist.

BEM wird oft mit FEA in hybriden Ansätzen gekoppelt, bei denen FEA strukturelle Schwingungen berechnet und BEM die resultierende akustische Strahlung für das Fernfeld vorhersagt.

Mehrstufige Analysehierarchie

Zur Optimierung der Leistung von Geräuschschwingungen und der Harshness im Automobilbereich verwenden Ingenieure akustische Simulationswerkzeuge, um das Geräuschverhalten in verschiedenen Konstruktionsphasen zu untersuchen. Vollfahrzeugpegel: Lärm, der vom gesamten Fahrzeug in Bewegung erzeugt wird. Systempegel: Lärm von Systemen, die zusammenarbeiten (Motor + Getriebe), Subsystempegel: Lärm von einer bestimmten Maschine, wie einem E-Motor, Komponentenpegel: Lärm von einem bestimmten Teil, wie ein Sicherheitsgurtklick.

Dieser hierarchische Ansatz ermöglicht eine effiziente Analyse auf geeigneten Detailebenen, von der Optimierung einzelner Komponenten bis hin zu vollständigen Fahrzeugintegrationsstudien. Komponentenmodelle bieten ein detailliertes Verständnis des lokalen Verhaltens, während System- und Fahrzeugmodelle Interaktionen und Gesamtleistung erfassen.

Experimentelle NVH-Messtechniken

Während Berechnungsmethoden für die Designoptimierung von unschätzbarem Wert sind, bleiben experimentelle Messungen für die Validierung, Fehlersuche und Charakterisierung des tatsächlichen Fahrzeugverhaltens unerlässlich. Um NVH-Analysen in der Automobilindustrie durchzuführen, verwenden Ingenieure verschiedene Methoden und Werkzeuge. Dazu gehören Messtechniken wie Mikrofone, Beschleunigungsmesser und Laservibrometer, um Daten über Geräusch- und Vibrationspegel zu sammeln.

Instrumentierung und Sensoren

Typische Messgeräte zur Messung von NVH sind Mikrofone, Beschleunigungsmesser, Kraftmessgeräte oder Kraftmessdosen, wobei die Messkette in der Regel aus einem Sensor (Beschleunigungsmesser, Mikrofon, Intensitätssonde, Laservibrometer), einem Datenerfassungssystem und einem Datenanalysesystem besteht.

Beschleunigungsmesser messen strukturelle Schwingungen und liefern Daten über Beschleunigungspegel an bestimmten Stellen. Verschiedene Beschleunigungsmessertypen dienen unterschiedlichen Zwecken: piezoelektrische Beschleunigungsmesser für allgemeine Messungen, MEMS-Beschleunigungsmesser für kostensensible Anwendungen und Ladungsbeschleunigungsmesser für Hochtemperaturumgebungen.

Mikrofone erfassen akustische Druckschwankungen, wobei verschiedene Arten für verschiedene Anwendungen optimiert sind. Messmikrofone bieten kalibrierte, lineare Reaktionen über weite Frequenzbereiche hinweg, während Intensitätssonden sowohl Schalldruck als auch Partikelgeschwindigkeit messen, um Schallintensität und -richtung zu bestimmen.

Laser-Vibrometer bieten berührungslose Vibrationsmessung, besonders wertvoll für die Messung von Leichtbaustrukturen, bei denen die Massenbelastung des Beschleunigungsmessers die Ergebnisse beeinflussen würde, oder für das Scannen großer Bereiche, um Betriebsauslenkungsformen zu visualisieren.

Experimentelle Modalanalyse

Modale Tests sind ein wichtiger Teil der Modalanalyse für die NVH-Vorhersage. Ziel der Modaltests ist es, die Eigenfrequenzen, Dämpfungsverhältnisse und Modenformen einer Struktur zu messen. Der Testprozess beinhaltet die Anregung der Struktur mit einem bekannten Input und die Messung der resultierenden Reaktion an verschiedenen Punkten der Struktur.

Die Ergebnisse der Modalprüfungen können zur Validierung des mathematischen Modells der Struktur und zur Ermittlung etwaiger Abweichungen zwischen den vorhergesagten und den gemessenen Ergebnissen verwendet werden. Modale Messungen zeigen häufig Modellierungsannahmen, die eine Verfeinerung des Finite-Elemente-Modells erfordern. Die Korrelation zwischen experimentellen Modalanalysedaten und FEA-Analysen führt zu iterativen Modellaktualisierungen.

Die experimentelle Modalanalyse verwendet typischerweise Schlaghämmer oder Schüttler, um die Struktur anzuregen, wobei mehrere Beschleunigungsmesser oder Scanner-Laser-Vibrometer die Antwort messen.

Operationelle Modalanalyse

Die Betriebsmodenanalyse (Operational Modal Analysis, OMA) extrahiert modale Parameter aus Strukturen unter normalen Betriebsbedingungen, ohne dass eine kontrollierte Anregung erforderlich ist. Diese Technik ist besonders nützlich für die Prüfung von vollständigen Fahrzeugen unter realistischen Fahrbedingungen, bei denen herkömmliche Modalprüfungen mit künstlicher Anregung nicht praktikabel sind.

OMA verwendet fortschrittliche Signalverarbeitungsalgorithmen, um Modalparameter aus reinen Output-Messungen zu identifizieren, wobei angenommen wird, dass die operative Anregung einen ausreichenden Frequenzgehalt enthält, um die interessierenden Modi anzuregen.

Messungen der Schallintensität

Mithilfe von Verfahren zur Messung der Schallintensität lassen sich Lärmquellen identifizieren und deren Beitrag zum Gesamtgeräusch des Fahrzeugs quantifizieren. Im Gegensatz zu Schalldruckmessungen, die das gesamte akustische Feld erfassen, bestimmen Intensitätsmessungen die Richtung und Größe des akustischen Energieflusses.

Diese Fähigkeit macht Intensitätsmessungen von unschätzbarem Wert für die Quellenidentifizierung, die Prüfung des Übertragungsverlusts und die Bestimmung der akustischen Leistung. Ingenieure können Schallintensitätskarten erstellen, die Geräuschstrahlungsmuster visualisieren und die wichtigsten Faktoren identifizieren, die zum Innen- oder Außengeräusch beitragen.

Testumgebungen

Die Prüfung erfolgt in kontrollierten Umgebungen wie teilansprechenden Kammern sowie unter Straßenbedingungen. Subjektive Auswertungen durch ausgebildete Ingenieure ergänzen objektive Daten. teilansprechende Kammern bieten kontrollierte akustische Umgebungen mit minimalen Reflexionen, die eine genaue Messung der Schallstrahlungsmuster und die Quellenidentifizierung ermöglichen.

Fahrwerksprüfstände ermöglichen das Testen unter kontrollierten Last- und Geschwindigkeitsbedingungen während der Messung der NVH-Leistung. On-Road-Tests erfassen das Verhalten der realen Welt, einschließlich der Auswirkungen von Straßenoberflächenschwankungen, Windbedingungen und tatsächlichen Fahrmanövern, die in Laboreinstellungen möglicherweise nicht vollständig repliziert werden.

Transferweganalyse

Transfer Path Analysis (TPA) ist eine leistungsstarke Technik, um zu verstehen, wie Vibrationen und Lärm von Quellen durch die Fahrzeugstruktur zu Empfängerorten wie dem Fahrersitz oder dem Fahrgastraum übertragen werden. TPA zerlegt die Gesamtantwort in Beiträge von einzelnen Übertragungswegen, so dass Ingenieure die wichtigsten Pfade für die Lärmkontrolle identifizieren und priorisieren können.

Klassische TPA-Methodik

Klassische TPA umfasst drei Hauptschritte: Charakterisierung der Quelle durch Messung von Kräften oder Volumengeschwindigkeiten an Verbindungspunkten, Bestimmung von Übertragungsfunktionen von jedem Verbindungspunkt zum Empfängerstandort und Kombination von Quellen- und Übertragungsfunktionsdaten zur Vorhersage der Antwort des Empfängers. Dieser Ansatz erfordert eine Demontage zur Messung von Übertragungsfunktionen mit entfernter Quelle, was sie zeitaufwendig macht, aber detaillierte physikalische Erkenntnisse liefert.

Betriebliche TPA

Durch betriebliche TPA-Methoden wird vermieden, dass die Quelle entfernt werden muss, indem Betriebsmessungen und fortschrittliche Signalverarbeitung zur Schätzung der Pfadbeiträge verwendet werden.

Es gibt verschiedene operative TPA-Methoden, einschließlich auf Übertragbarkeit basierender TPA, komponentenbasierter TPA und hybrider Ansätze, die Elemente klassischer und operativer Techniken kombinieren.

Anwendungen von TPA

TPA ermöglicht es Ingenieuren, die relative Bedeutung verschiedener Übertragungswege zu quantifizieren, wie z. B. strukturbedingte Pfade durch Halterungen und Durchführungen gegenüber luftgestützten Pfaden durch Karosserieteile. Diese Informationen leiten die Optimierungsbemühungen, indem sie ermitteln, welche Pfade das größte Potenzial für die Geräuschreduzierung bieten.

TPA ist auch für das Benchmarking von wettbewerbsfähigen Fahrzeugen, die Diagnose von NVH-Problemen in Serienfahrzeugen und die Validierung der Wirksamkeit von Lärmschutzbehandlungen durch den Vergleich von Pfadbeiträgen vor und nach Modifikationen von Nutzen.

Modellvalidierung und Korrelation

Es ist wichtig, dass die Grundmengen von Simulationsmodellen wie Gesamtmasse, Steifigkeit und Dämpfungsmatrizen gut mit physikalischen Tests unter Verwendung von Parametern wie modalen Sicherungskriterien (MAC), koordinierenden modalen Sicherungskriterien (CoMAC) und Frequenzantwort-Sicherheitskriterien (FRAC) korreliert sind, bevor hochkomplexe Analysen durchgeführt werden.

Dies ist ein Problem, weil diese Modelle oft nicht mit dem physikalischen Verhalten übereinstimmen. Infolgedessen werden Zeit und Ressourcen für eine Analyse verschwendet, die nicht mit den physikalischen Testergebnissen übereinstimmt. Sicherzustellen, dass Computermodelle die physische Realität genau repräsentieren, ist entscheidend für zuverlässige NVH-Vorhersagen.

Korrelationsmetriken

Modal Assurance Criterion (MAC) quantifiziert die Ähnlichkeit zwischen gemessenen und vorhergesagten Modenformen mit Werten von 0 (keine Korrelation) bis 1 (perfekte Korrelation). MAC-Werte über 0,9 zeigen typischerweise eine gute Korrelation an, obwohl die Interpretation von der Modenkomplexität und der Messqualität abhängt.

Frequenz-Response-Assurance-Kriterium (FRAC) vergleicht gemessene und vorhergesagte Frequenz-Response-Funktionen über einen Frequenzbereich hinweg und liefert einen Einblick, wie gut das Modell dynamische Reaktionseigenschaften über natürliche Frequenzen und Modenformen hinaus vorhersagt.

Der Vergleich der natürlichen Frequenz ist die grundlegendste Korrelationsmetrik, der Vergleich der vorhergesagten und gemessenen natürlichen Frequenzen. Gute Korrelation erfordert typischerweise eine Übereinstimmung innerhalb von 5% für die interessierenden Modi, obwohl für kritische Anwendungen möglicherweise engere Toleranzen erforderlich sind.

Modellaktualisierung

Moderne fem-Software umfasst ausgeklügelte Werkzeuge für die automatische Modellaktualisierung auf der Grundlage von gemessenen Modalfrequenzen und Modenformen. Die Modellaktualisierung passt systematisch unsichere Modellparameter an, um die Korrelation mit experimentellen Daten zu verbessern, wobei Optimierungsalgorithmen verwendet werden, um Unterschiede zwischen vorhergesagten und gemessenen Antworten zu minimieren.

Zu den üblicherweise aktualisierten Parametern gehören Materialeigenschaften, Gelenksteifigkeiten, Randbedingungen und Dämpfungseigenschaften.

NVH Optimierungsstrategien

Sobald die NVH-Werte berechnet und die Problembereiche identifiziert wurden, wenden die Ingenieure verschiedene Strategien an, um Lärm und Vibrationen auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren Spezifische Methoden zur Verbesserung von NVH umfassen die Verwendung von abgestimmten Massendämpfern, Unterrahmen, Auswuchten, Modifizieren der Steifigkeit oder Masse von Strukturen, Neuabstimmung von Auspuff und Einlässen, Modifizieren der Eigenschaften von Elastomer-Isolatoren, Hinzufügen von Schalldämmungen oder absorbierenden Materialien und die Verwendung aktiver Lärmkontrolle.

Änderung der Quelle

Die effektivste NVH-Regelungsstrategie besteht häufig darin, Geräusche und Vibrationen an der Quelle zu reduzieren, was beispielsweise das Ausbalancieren rotierender Komponenten, die Optimierung von Verbrennungsprozessen, die Neugestaltung von Zahnprofilen zur Verringerung des Einspurgeräuschs oder die Änderung von Bauteilgeometrien zur Verschiebung von Eigenfrequenzen von den Anregungsfrequenzen umfassen kann.

Für elektrische Antriebsstränge könnte die Quellenmodifikation die Optimierung des motor-magnetischen Designs zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit, die Auswahl von Schaltfrequenzen zur Vermeidung hörbarer Bereiche oder die Implementierung fortschrittlicher Regelalgorithmen zur Minimierung akustischer Emissionen umfassen.

Änderung der Bahn

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Störstrahlungen, die bei einer nicht ausreichenden oder unpraktischen Änderung der Quellen die Störstrahlung an den Empfängerstellen wirksam reduzieren kann. Durch die Isolierung mit federnden Halterungen und Buchsen wird eine Schwingungsübertragung von Quellen auf die Fahrzeugstruktur verhindert.

Strukturelle Modifikationen können auch Übertragungswege unterbrechen, indem sie die Resonanzfrequenzen der Verschiebung steif machen, Dämpfungsbehandlungen zur Verringerung der Schwingungsamplituden einbeziehen oder Diskontinuitäten erzeugen, die die Schwingungsenergie zurück zur Quelle reflektieren.

Empfänger-Änderung

Akustische Behandlungen an Empfängerorten stellen die letzte Verteidigungslinie gegen NVH dar. Schallabsorptionsmaterialien reduzieren den Schallpegel in der Kabine durch Umwandlung von akustischer Energie in Wärme. Barrierematerialien blockieren die Luftschallübertragung durch Körperplatten. Dämpfungsbehandlungen, die an Platten angewendet werden, reduzieren ihre Schwingungsreaktion und die akustische Strahlungseffizienz.

Die Wirksamkeit der Akustikbehandlung hängt von der richtigen Materialauswahl, Platzierung und Abdeckung ab. Ingenieure müssen die Leistung von NVH gegen Kosten-, Gewichts- und Verpackungsbeschränkungen abwägen.

Aktive Lärmminderung

Aktive Lärmschutzsysteme erzeugen mit Lautsprechern Antigeräusche, die unerwünschte Geräusche destruktiv stören und effektiv auslöschen.

Moderne aktive Lärmschutzsysteme können sich an wechselnde Betriebsbedingungen anpassen, auf bestimmte Motoraufträge oder Straßenlärmfrequenzen abzielen. Einige Systeme ermöglichen auch eine Geräuschverbesserung, indem sie gewünschte akustische Signaturen erzeugen, um das Fahrerlebnis zu verbessern, oder akustisches Feedback in leisen Elektrofahrzeugen geben.

Design des Experimentansatzes

Die Verbesserung der Fahrzeugstruktur unter dem Einfluss von Lärm, Vibration und Härte (NVH) wird mit Hilfe der Design-of-Experiment-Methode (DOE) untersucht. Mit Hilfe von Faktor- und Reaktionsoberflächenmethoden (RSM) wird die NVH-Leistung optimiert. Es wird ein Algorithmus zur Verbesserung des NVH-Verhaltens von Fahrzeugen vorgeschlagen.

DOE-Methoden ermöglichen die systematische Untersuchung von Designparametereffekten auf die NVH-Leistung, wobei optimale Kombinationen identifiziert werden, die mehrere Ziele gleichzeitig erfüllen. Response-Oberflächen-Methoden erstellen mathematische Näherungen von NVH-Metriken als Funktionen von Designvariablen, was eine effiziente Optimierung ermöglicht, selbst wenn jede Analyse rechentechnisch teuer ist.

Software-Tools für NVH-Analyse

Die moderne NVH-Analyse beruht auf hochentwickelten Software-Tools, die die oben diskutierten Berechnungsmethoden und Analysetechniken implementieren. Die Analyse von NVH-Daten erfordert im Allgemeinen komplexe Algorithmen und spezielle Software. Die Analyse von NVH-Daten erfordert im Allgemeinen komplexe Algorithmen und spezielle Software.

Vorverarbeitungs- und Meshing-Tools

Zunächst wird die Karosseriegeometrie in CATIA modelliert und in die HYPERMESH-Software integriert. Vorverarbeitungswerkzeuge wandeln CAD-Geometrie in Finite-Elemente-Netze um, die für die Analyse geeignet sind. Diese Werkzeuge bieten die Erzeugung von Elementen, die Überprüfung der Maschenqualität, die Materialeigenschaftenzuweisung und die Definition von Randbedingungen.

Zu den beliebten Vorverarbeitungswerkzeugen gehören Altair HyperMesh, ANSA und die Vorverarbeitungsmodule integrierter FEA-Pakete. Die Mesh-Qualität beeinflusst die Analysegenauigkeit erheblich und erfordert eine sorgfältige Aufmerksamkeit für Elementtypen, Größen und Aspektverhältnisse.

FEA-Lösungsmittel

Dieses Papier stellt aktuelle Simulationstechnik für die Automobilentwicklung vor, die Altair Hyperworks als Vorverarbeitungswerkzeug für die Fahrzeugmodellierung sowie die Anwendung von NASTRAN als Berechnungslöser verwendet. MSC Nastran, Abaqus, Ansys und LS-DYNA sind weit verbreitete FEA-Solver für die NVH-Analyse, die jeweils unterschiedliche Stärken und Fähigkeiten bieten.

Diese Lösungslösungen implementieren verschiedene Analysetypen, einschließlich Modalanalyse, Frequenzganganalyse, transiente dynamische Analyse und gekoppelte vibroakustische Analyse.

Akustische Simulationswerkzeuge

Werkzeuge wie Ansys Mechanical, Ansys LS-DYNA, Ansys Fluent, Ansys Motor-CAD, & Ansys Maxwell sind weit verbreitet. Spezialisierte akustische Simulationswerkzeuge behandeln Schallausbreitung, Strahlung und Absorption. Dazu gehören Grenzelementcodes für die Außenakustik, Raytracing-Tools für die Innenakustik und SEA-Software für die Hochfrequenzanalyse.

Einige Werkzeuge integrieren mehrere Physik, so dass eine gekoppelte Analyse von strukturellen Vibrationen, akustischer Strahlung und aeroakustischer Geräuscherzeugung in einer einzigen Umgebung möglich ist.

Post-Processing und Visualisierung

Nachverarbeitungswerkzeuge extrahieren aussagekräftige Ergebnisse aus großen Analysedatensätzen und erstellen Visualisierungen, die die Ergebnisse effektiv kommunizieren. Zu den Funktionen gehören die Animation von Modenformen und Betriebsablenkformen, Frequenzgangdiagramm, Schalldruckpegelabbildung und Pfadbeitragsvisualisierung.

Fortgeschrittene Nachbearbeitung kann psychoakustische Metrikenberechnung, Auftragsverfolgungsanalyse und Wasserfalldiagramme umfassen, die die Entwicklung des Frequenzinhalts unter Betriebsbedingungen zeigen.

Datenerfassungs- und -analysesysteme

Experimentelle NVH-Arbeiten erfordern Datenerfassungssysteme, die gleichzeitig Signale von mehreren Sensoren mit hohen Abtastraten und Dynamikbereich erfassen, die Messungen synchronisieren, Kalibrierungen anwenden und eine Echtzeit-Signalverarbeitung durchführen.

Analysesoftware verarbeitet erfasste Daten, um modale Parameter zu extrahieren, Frequenzantwortfunktionen zu erstellen, Auftragsverfolgung durchzuführen und verschiedene Präsentationsformate zu generieren. Die Integration zwischen experimentellen und Rechenwerkzeugen ermöglicht einen direkten Vergleich der gemessenen und vorhergesagten Ergebnisse.

Praktischer NVH-Berechnungs-Workflow

Die Umsetzung einer effektiven NVH-Analyse in der Fahrzeugentwicklung erfordert einen systematischen Workflow, der die Berechnungsvorhersage, die experimentelle Validierung und die iterative Verfeinerung integriert.

Schritt 1: Anforderungen und Ziele definieren

Beginnen Sie mit der Festlegung klarer NVH-Leistungsziele auf der Grundlage der Kundenerwartungen, wettbewerbsfähiger Benchmarks und regulatorischer Anforderungen.

Betrachten Sie verschiedene Kundennutzungsszenarien und priorisieren Sie entsprechend. Der Komfort von Autobahnfahrten kann für Luxusfahrzeuge von größter Bedeutung sein, während die Offroad-Fähigkeit für Sport Utility Vehicles Vorrang haben könnte.

Schritt 2: Erstellen von Computermodellen

Finite-Elemente-Modelle von Fahrzeugstrukturen und akustischen Hohlräumen mit geeigneten Detailstufen für die interessierenden Frequenzbereiche entwickeln; alle wichtigen Strukturkomponenten, Verbindungen und akustischen Behandlungen einschließen; Materialeigenschaften, Randbedingungen und Verbindungsdefinitionen zuweisen.

Die Genauigkeit des Modells sollte mit den Rechenkosten in Einklang gebracht werden.

Schritt 3: Modale Analyse durchführen

Berechnen Sie strukturelle und akustische Eigenfrequenzen und Modenformen, um grundlegende dynamische Eigenschaften zu verstehen, identifizieren Sie Moden, die durch bekannte Quellen angeregt werden können, und prüfen Sie auf mögliche Resonanzbedingungen.

Um mögliche Probleme zu erkennen, sollten Eigenfrequenzen mit Eigenfrequenzen in der Nähe von Triebwerkszündfrequenzen, Reifendrehfrequenzen oder anderen bekannten Anregungsquellen besondere Aufmerksamkeit erhalten.

Schritt 4: Erzwungene Reaktion berechnen

Repräsentative Anregungskräfte oder -drücke anwenden und resultierende Vibrations- und Rauschpegel berechnen. Die Frequenzantwortanalyse prognostiziert die stationäre Reaktion über Frequenzbereiche hinweg, während die transiente Analyse das zeitabhängige Verhalten für Aufpralle oder andere transiente Ereignisse erfasst.

Die Frequenzantwortfunktionen zeigen, welche Frequenzen ein übermäßiges Ansprechen aufweisen und auf zugrunde liegende Resonanzprobleme hinweisen können.

Schritt 5: Validieren mit experimentellen Tests

Durchführung experimenteller Modaltests und Betriebsmessungen an physischen Prototypen zur Validierung von Rechenvorhersagen, Vergleich gemessener und vorhergesagter Eigenfrequenzen, Modenformen und Frequenzgangfunktionen unter Verwendung geeigneter Korrelationsmetriken.

Untersuchen von Abweichungen, um Modellierungsfehler oder fehlende Physik zu identifizieren, und gegebenenfalls Aktualisierung der Modelle zur Verbesserung der Korrelation, wobei der Schwerpunkt auf Parametern mit hoher Unsicherheit oder erheblichem Einfluss auf die Ergebnisse liegt.

Schritt 6: Identifizieren Sie Wurzelursachen

Die Analyse der Übertragungswege identifiziert dominante Übertragungswege. Die Analyse der Modalbeiträge zeigt, welche Modi bei Problemhäufigkeiten am meisten zur Reaktion beitragen. Die Quellencharakterisierung quantifiziert die Anregungspegel.

Das Verständnis der Ursachen ermöglicht gezielte Lösungen anstelle von Trial-and-Error-Ansätzen. Konzentrieren Sie sich auf die wichtigsten Beitragszahler, um einen maximalen Nutzen bei minimalen Kosten- und Gewichtsauswirkungen zu erzielen.

Schritt 7: Implementieren und Verifizieren von Lösungen

Entwicklung von Konstruktionsänderungen zur Lösung der festgestellten Probleme unter Verwendung von Rechenmodellen zur Vorhersage der Wirksamkeit vor der Umsetzung; Änderungen können strukturelle Verstärkungen, Änderungen des Isolationssystems, zusätzliche akustische Behandlung oder Änderungen der Quelle umfassen.

Überprüfung der Wirksamkeit der Lösung durch Analyse und Testen; Gewährleistung, dass Änderungen Ziele erreichen, ohne dass neue Probleme entstehen oder andere Fahrzeugeigenschaften wie Gewicht, Kosten oder Haltbarkeit beeinträchtigt werden.

Erweiterte Themen in der NVH-Berechnung

Da sich die NVH-Analysetechniken weiterentwickeln, gewinnen mehrere fortgeschrittene Themen in der Fahrzeugentwicklung an Bedeutung, die die Schneide der NVH-Technik darstellen und Möglichkeiten für signifikante Leistungsverbesserungen bieten.

Psychoakustische Analyse

Neben einfachen Schalldruckpegelmessungen quantifizieren psychoakustische Metriken, wie Menschen Geräusche wahrnehmen und darauf reagieren. Metriken wie Lautstärke, Schärfe, Rauheit und Schwankungsstärke liefern aussagekräftigere Bewertungen der subjektiven Klangqualität als physikalische Messungen allein.

Die psychoakustische Analyse ermöglicht es Ingenieuren, nicht nur zu optimieren, wie laut ein Fahrzeug ist, sondern auch, wie angenehm oder unangenehm seine Geräusche wahrgenommen werden. Dies ist besonders wichtig für Elektrofahrzeuge, bei denen herkömmliche Motorgeräusche fehlen und andere Geräusche stärker hervortreten.

Sound Quality Engineering

Eine solide Qualitätstechnik geht über die Geräuschreduzierung hinaus, um den akustischen Charakter von Fahrzeugen aktiv zu gestalten. Dazu gehört die Schaffung gewünschter Klangsignaturen, die die Markenidentität stärken, dem Fahrer angemessenes Feedback geben und die emotionale Verbindung zwischen Fahrer und Fahrzeug verbessern.

Zu den Techniken gehören aktives Sounddesign mit Lautsprechern zur Erzeugung oder Verbesserung spezifischer Geräusche, passives Tuning von Einlass- und Auspuffsystemen zur Schaffung gewünschter tonaler Eigenschaften und sorgfältiges Management aller Schallquellen, um ein zusammenhängendes akustisches Erlebnis zu erzeugen.

Quantifizierung der Unsicherheit

Reale Fahrzeuge weisen Variabilität aufgrund von Fertigungstoleranzen, Materialeigenschaften und Montagevariationen auf. Unsicherheitsquantifizierungsverfahren bewerten, wie sich diese Variationen auf die NVH-Leistung auswirken, was ein robustes Design ermöglicht, das trotz unvermeidlicher Variabilität akzeptabel ist.

Zu den Methoden gehören Monte-Carlo-Simulation, polynomielle Chaos-Expansion und Intervallanalyse. Diese Ansätze helfen Ingenieuren zu verstehen, welche Parameter die NVH-Leistung am stärksten beeinflussen und geeignete Toleranzen festlegen, um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten.

Multi-Objektive Optimierung

Die Leistung von NVH muss mit anderen Fahrzeugeigenschaften wie Gewicht, Kosten, Sicherheit und Haltbarkeit verglichen werden. Multi-Ziel-Optimierungstechniken untersuchen systematisch Design-Kompromisse und identifizieren Pareto-optimale Lösungen, die die bestmöglichen Kompromisse zwischen konkurrierenden Zielen darstellen.

Diese Methoden ermöglichen eine fundierte Entscheidungsfindung, indem sie die Kosten und den Nutzen verschiedener Designentscheidungen quantifizieren. Die Visualisierung von Pareto-Grenzen hilft den Interessengruppen, verfügbare Optionen zu verstehen und Designs auszuwählen, die am besten mit den Programmprioritäten übereinstimmen.

Machine Learning Anwendungen

Techniken des maschinellen Lernens werden zunehmend auf NVH-Analysen für Aufgaben wie Ersatzmodellierung, Anomalieerkennung und vorausschauende Wartung angewendet. Surrogatmodelle, die auf Simulations- oder experimentellen Daten trainiert sind, ermöglichen eine schnelle Vorhersage der NVH-Leistung für neue Designs, ohne teure Analysen durchzuführen.

Neuronale Netze können komplexe Beziehungen zwischen Designparametern und NVH-Metriken erlernen und ermöglichen so eine Optimierung mit Tausenden von Auswertungen, die mit herkömmlichen Simulationen unpraktisch wären. Maschinelles Lernen ist auch vielversprechend für die automatisierte Fehlerdiagnose und Qualitätskontrolle in der Produktion.

Best Practices und Standards der Branche

Erfolgreiche NVH-Technik erfordert die Einhaltung etablierter Best Practices und Industriestandards, die konsistente, zuverlässige Ergebnisse gewährleisten. Diese Richtlinien haben sich durch jahrzehntelange Erfahrung weiterentwickelt und repräsentieren die kollektive Weisheit der Automobiltechnik-Community.

Messnormen

Internationale Normen legen Verfahren für NVH-Messungen fest, um Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit zu gewährleisten. ISO-Normen umfassen Themen wie Schalldruckpegelmessung, Vibrationsmessung und Prüfverfahren für bestimmte Fahrzeugtypen und Betriebsbedingungen.

SAE-Normen bieten detaillierte Leitlinien für automobilspezifische NVH-Tests, einschließlich Innengeräuschmessung, Vorbeifahrgeräuschprüfung und Vibrationsmessung an Fahrerschnittstellen. Die Einhaltung dieser Normen stellt sicher, dass die Ergebnisse in verschiedenen Organisationen und Testeinrichtungen aussagekräftig und vergleichbar sind.

Modellierungsrichtlinien

Zu den Best Practices der Branche für die FEA-Modellierung gehören Richtlinien zu Elementtypen und -größen, Materialeigenschaftendefinition, Verbindungsmodellierung und Anwendung von Randbedingungen. Die Einhaltung dieser Richtlinien trägt dazu bei, genaue und zuverlässige Vorhersagen zu gewährleisten und den Modellaustausch zwischen Organisationen zu erleichtern.

Die Anforderungen an die Modellvalidierung legen akzeptable Korrelationsniveaus zwischen Vorhersagen und Messungen fest. Die Festlegung klarer Validierungskriterien verhindert eine übermäßige Abhängigkeit von unvalidierten Modellen und stellt sicher, dass Designentscheidungen auf vertrauenswürdigen Vorhersagen beruhen.

Dokumentation und Rückverfolgbarkeit

Eine umfassende Dokumentation der NVH-Analysen, einschließlich Modellbeschreibungen, Analyseverfahren, Ergebnisse und Schlussfolgerungen, ist für die Wissensspeicherung und die Einhaltung der Vorschriften unerlässlich.

Die Rückverfolgbarkeit verknüpft die Anforderungen an Analysen mit Entwurfsentscheidungen und zeigt, dass die Fahrzeugkonstruktionen die festgelegten Ziele erfüllen, was insbesondere für die Einhaltung der Vorschriften und Qualitätsmanagementsysteme von Bedeutung ist.

Da sich Fahrzeuge in Richtung Elektrifizierung und Autonomie bewegen, wird NVH noch kritischer werden. Ruhige Kabinen verstärken jeden verbleibenden Klang, was Präzision unerlässlich macht. Zukünftige NVH-Entwicklung wird sich auf Folgendes konzentrieren: ... NVH wird zunehmend als integriertes System konzipiert und nicht als Spätverfeinerung behandelt.

Elektrifizierungsherausforderungen

Die Anforderungen an eine effiziente NVH-Analyse und -Optimierung steigen stetig, und zwar nicht mehr nur bei Verbrennungsmotoren. Elektro- und Hybridantriebe stellen das Engineering vor neue Herausforderungen. Neben der NVH-Analyse klassischer Antriebsstränge gewinnt die NVH-Analyse elektrifizierter Antriebsstränge aufgrund von behördlichen Abgasvorschriften an Bedeutung. Mit der Beseitigung der vorherrschenden Geräuschquelle – des Verbrennungsmotors – sowie des Leichtbaus werden andere Schwingungsquellen und Geräusche sichtbar. Das Schwingungsverhalten eines elektrifizierten Motors führt zu anderen Effekten, die sich von denen von Antriebssträngen mit klassischen Verbrennungsmotoren unterscheiden.

Elektromagnetisches Rauschen des Elektromotors, Wechselrichterschaltgeräusche und Ganggeräusche von Einganggetrieben stellen neue Herausforderungen dar, die spezielle Analysetechniken erfordern.

Überlegungen zum autonomen Fahrzeug

Autonome Fahrzeuge können andere NVH-Eigenschaften erfordern als herkömmliche Fahrzeuge. Ohne dass Fahraufgaben die Aufmerksamkeit auf sich ziehen, sind die Fahrgäste möglicherweise empfindlicher gegenüber Lärm und Vibrationen. Umgekehrt besteht die Möglichkeit, aktive Systeme aggressiver zu nutzen, da das Feedback des Fahrers weniger kritisch ist.

Akustische Innenarchitektur kann sich hin zu produktiven oder entspannenden Umgebungen anstelle von traditionellen Automobil-Soundlandschaften verschieben, was aktive Geräuschunterdrückung, Schallmaskierung oder sogar personalisierte akustische Zonen für verschiedene Passagiere umfassen könnte.

Leichte Materialien

Die zunehmende Verwendung von Leichtbaumaterialien wie Aluminium, Verbundwerkstoffen und hochfesten Stählen wirkt sich auf die Leistung von NVH aus. Diese Materialien haben andere akustische und Vibrationseigenschaften als herkömmlicher Stahl, was neue Analyseansätze und Designstrategien erfordert.

Multimaterialstrukturen stellen aufgrund des komplexen Gelenkverhaltens und der akustischen Impedanzfehlanpassungen besondere Herausforderungen für die NVH-Analyse dar. Die Entwicklung genauer Modelle dieser Strukturen erfordert eine sorgfältige Aufmerksamkeit auf Materialeigenschaften und Verbindungseigenschaften.

Digitale Zwillinge und kontinuierliche Überwachung

Die Digital Twin Technologie schafft virtuelle Darstellungen von physischen Fahrzeugen, die auf der Grundlage von Sensordaten des realen Fahrzeugs aktualisiert werden. Für NVH-Anwendungen könnten digitale Zwillinge eine kontinuierliche Überwachung der akustischen und Vibrationseigenschaften von Fahrzeugen ermöglichen und Degradation oder Störungen erkennen, bevor sie zu ernsthaften Problemen werden.

Die Integration von NVH-Sensoren in Serienfahrzeuge liefert Daten zur Validierung von Vorhersagen, zum Verständnis realer Nutzungsmuster und zur Identifizierung von Verbesserungsmöglichkeiten für zukünftige Designs.

Cloud-basierte Simulation

Cloud Computing ermöglicht NVH-Analysen, die auf lokalen Arbeitsplätzen unpraktisch wären, einschließlich Hochfrequenz-Vollfahrzeugmodellen, umfangreichen Designoptimierungsstudien und Unsicherheitsquantifizierung mit Tausenden von Stichproben. Cloud-Plattformen erleichtern auch die Zusammenarbeit, indem sie einen zentralen Zugriff auf Modelle und Ergebnisse bieten.

Da Cloud-basierte Simulationen leichter zugänglich und kostengünstiger werden, werden kleinere Unternehmen in die Lage versetzt, anspruchsvolle NVH-Analysen durchzuführen, die bisher nur großen Herstellern mit umfangreichen Rechenressourcen zur Verfügung standen.

Case Study: Komplette Fahrzeug-NVH-Analyse

Um die praktische Anwendung von NVH-Berechnungsmethoden zu veranschaulichen, sollten Sie eine umfassende Analyse eines Personenkraftwagens in Betracht ziehen, bei dem bei Autobahngeschwindigkeiten übermäßiger Straßenlärm auftritt.

Problemdefinition

Kundenbeschwerden weisen darauf hin, dass die Lärmpegel im Innenraum bei 100 km/h die wettbewerbsfähigen Benchmarks um 3 dB übertreffen, wobei der Schwerpunkt auf Niederfrequenz-Rumlauf von 40-60 Hz liegt. Subjektive Bewertungen bestätigen, dass der Lärm auf langen Fahrten aufdringlich und ermüdend ist.

Erstmessungen

Tests auf der Straße mit Innenmikrofonen und Beschleunigungsmessern an wichtigen Stellen bestätigen das Problem und legen Basismessungen fest. Die Frequenzanalyse zeigt Spitzenwerte bei 45 Hz und 52 Hz, die mit der Fahrzeuggeschwindigkeit korrelieren, was auf eine Erregung von Reifen und Rädern hindeutet. Schallintensitätsmessungen identifizieren den Boden und die Rücksitzfläche als primäre Strahlungsquellen.

Modale Analyse

Die experimentelle Modalanalyse der Körperstruktur zeigt Eigenfrequenzen bei 44 Hz und 53 Hz, die den Bodenbiege- und Rücksitzwannenmoden entsprechen, die eng mit den beobachteten Geräuschspitzen übereinstimmen, was auf eine Resonanzverstärkung der Reifenanregung hindeutet.

Die Modalanalyse der Körperstruktur mit Finite-Elementen-Mitteln prognostiziert die Eigenfrequenzen bei 46 Hz und 55 Hz, was eine angemessene Korrelation mit den experimentellen Ergebnissen zeigt.

Transferweganalyse

Die Analyse des Betriebstransferpfads quantifiziert die Beiträge verschiedener Übertragungspfade. Die Ergebnisse zeigen, dass Körperbahnen durch hintere Aufhängungshalterungen bei den Problemfrequenzen dominieren und 70% des gesamten Innengeräuschs beitragen.

Lösungsentwicklung

Basierend auf der Analyse entwickeln Ingenieure eine facettenreiche Lösung: Strukturverstärkungen verschieben Bodeneigenfrequenzen von Anregungsfrequenzen, modifizierte hintere Federungsbuchsen reduzieren die Kraftübertragung und gezielte Dämpfungsbehandlungen reduzieren die Schwingungsamplituden der Bodenpaneele.

Die Finite-Elemente-Analyse sagt voraus, dass diese Modifikationen problematische Eigenfrequenzen um 8-10 Hz verschieben und die Bodenschwingungen um 6 dB reduzieren werden. Die Transferweganalyse mit modifizierten Durchführungseigenschaften prognostiziert eine Reduzierung der strukturbedingten Pfadbeiträge um 4 dB.

Validierung

Prototypfahrzeuge, die die Modifikationen enthalten, werden zur Überprüfung der Wirksamkeit getestet. Messungen bestätigen eine Verringerung des Innengeräuschs bei Problemhäufigkeit um 5 dB, übertreffen das Ziel und bringen die Leistung in Einklang mit den wettbewerbsfähigen Benchmarks. Subjektive Bewertungen zeigen eine signifikante Verbesserung des wahrgenommenen Komforts.

Modale Tests an modifizierten Fahrzeugen bestätigen, dass sich die Eigenfrequenzen wie vorhergesagt verschoben haben und die Bodenschwingungen deutlich zurückgegangen sind.

Schlussfolgerung

Die Berechnung von NVH-Werten im Fahrzeugdesign stellt eine komplexe, multidisziplinäre Herausforderung dar, die Physik, Mathematik, technisches Urteilsvermögen und menschliche Wahrnehmung kombiniert. Fast jedes Element im Automobildesign kann von der NVH-Analyse profitieren. Das Verständnis von Geräuschquellen und deren Optimierung ist eine der besten Möglichkeiten, um sicherzustellen, dass Ihr Automobildesign den Bedürfnissen der Käufer und Industriestandards entspricht.

Die in diesem Artikel diskutierten Methoden – von der grundlegenden Modalanalyse bis zur fortgeschrittenen Transferpfadanalyse, von der Finite-Elemente-Simulation bis zur experimentellen Validierung – bieten Ingenieuren leistungsstarke Werkzeuge zur Vorhersage, zum Verständnis und zur Optimierung der NVH-Leistung von Fahrzeugen. Der Erfolg erfordert nicht nur technisches Fachwissen in diesen Methoden, sondern auch systematische Prozesse, die NVH-Betrachtungen während des gesamten Konstruktionszyklus integrieren.

Da sich Fahrzeuge mit Elektrifizierung, Autonomie und leichten Materialien weiterentwickeln, wird die NVH-Analyse noch wichtiger für die Bereitstellung der raffinierten, komfortablen Erlebnisse, die die Kunden erwarten. Die hier beschriebenen Techniken und Prinzipien bilden eine Grundlage für die Bewältigung der aktuellen Herausforderungen und zukünftigen Entwicklungen im Automobil-NVH-Engineering.

Durch die Kombination von Rechenvorhersage, experimenteller Validierung und systematischer Optimierung können Ingenieure Fahrzeuge schaffen, die nicht nur die regulatorischen Anforderungen erfüllen, sondern auch die Erwartungen der Kunden an Komfort, Verfeinerung und Qualität übertreffen. Die Investition in eine gründliche NVH-Analyse während des Designs zahlt sich aus in der Kundenzufriedenheit, dem Markenruf und dem Wettbewerbsvorteil auf dem Markt.

Zusätzliche Mittel

Für Ingenieure, die ihr Verständnis der NVH-Analyse und Berechnungsmethoden vertiefen möchten, stehen zahlreiche Ressourcen zur Verfügung. Professionelle Organisationen wie die Society of Automotive Engineers (SAE) bieten technische Papiere, Standards und Konferenzen mit Schwerpunkt auf NVH-Themen an. Akademische Institutionen bieten Kurse und Forschungsprogramme in Akustik, Vibration und Fahrzeugdynamik an.

Softwareanbieter bieten Schulungsprogramme und Dokumentationen für ihre NVH-Analysetools an und helfen Ingenieuren, Kenntnisse mit bestimmten Plattformen zu entwickeln. Branchenkonferenzen und Workshops bieten Möglichkeiten, sich über die neuesten Entwicklungen zu informieren und sich mit anderen NVH-Experten zu vernetzen.

Online-Communities und Foren ermöglichen Wissensaustausch und Problemlösung unter NVH-Ingenieuren weltweit. Technische Bücher über Akustik, Vibration und Automobiltechnik bieten umfassende theoretische Grundlagen und praktische Anleitung.

Weitere Informationen zu Themen der Automobiltechnik finden Sie unter SAE International für technische Papiere und Standards oder erkunden Ansys für Simulationssoftwarelösungen. Weitere Ressourcen zu Fahrzeugdynamik und -tests finden Sie unter Kistler, während SimScale Cloud-basierte Simulationsplattformen anbietet. Die Engineering Group bietet Beratungsdienste und Fachwissen in der NVH-Analyse an.

Kontinuierliches Lernen und die Aktualisierung der sich entwickelnden Technologien und Methoden sind für NVH-Ingenieure unerlässlich. Der Bereich schreitet rasant voran, da sich regelmäßig neue Werkzeuge, Techniken und Anwendungen entwickeln. Durch die Aufrechterhaltung des Engagements in der Fachwelt und die Investition in die Weiterbildung können Ingenieure sicherstellen, dass sie über das Wissen und die Fähigkeiten verfügen, die erforderlich sind, um den immer anspruchsvolleren NVH-Herausforderungen im modernen Fahrzeugdesign zu begegnen.