Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFLeichtbau, Schwingungsverhalten, Vibration, Akustik
Effizienzsteigerung durch Leichtbau
Fahrzeughersteller und Zulieferer können weitere Leichtbaupotenziale erschließen, indem sie Schwingungs- und Akustikeigenschaften bereits in der Entwurfsphase neuer Fahrzeuge berechnen, bewerten und mit entsprechenden Maßnahmen begegnen. Im Rahmen des Projektes LeichtFahr wurde ein Simulationstool für die ganzheitliche Betrachtung adaptiver mechatronischer und passiver Maßnahmen zur Schwingungsminderung sowie neuer Materialien unter den Aspekten Leichtbau, Schwingungs- und Akustikverhalten sowie Wirtschaftlichkeit im Fahrzeugbau entwickelt. Das Simulationstool nutzt Aktor-, Sensor-, Regelungs- und Strukturmodelle auf Basis von analytischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen. Dazu wurde ein benutzerfreundliches Simulationswerkzeug erarbeitet und mittels Beispielanwendungen in Fahrzeugen erprobt.
Leichtbau, Komfort und Wirtschaftlichkeit in der Entwurfsphase optimieren
Fahrzeuggeräusche entstehen an verschiedenen Stellen wie Motor, Fahrbahn und Umströmung und werden häufig als störend empfunden. Teilweise, zum Beispiel beim Motor und der Abgasanlage, sind Geräusche auch als akustisches Feedback erwünscht und werden als charakteristisches Qualitätsmerkmal eines Fahrzeugs wahrgenommen. Gleichzeitig sollen Treibhausgasemissionen und Ressourcenverbrauch reduziert werden. Die Einsparpotenziale beim Fahrzeuggewicht und damit beim Verbrauch durch Leichtbau sind erheblich. Doch beeinflussen Leichtbaukonzepte das Schwingungs- und Akustikverhalten der Fahrzeugstruktur oftmals negativ. Passive Maßnahmen können die Komfortziele in Fahrzeugen nur unter zusätzlichem Gewichtseinsatz erreichen. Adaptronische Systeme vermindern Schwingungen, in dem sie aktiv Kräfte in die Struktur einleiten und den vorhandenen Schwingungen entgegenwirken. Diese Systeme können Konflikte zwischen Leichtbau und Schwingungsverhalten entschärfen, sind jedoch in der Entwicklung komplexer. Eine nachträgliche Integration in bestehende Strukturen kann das volle Potenzial der Systeme bezüglich Leichtbau und Kosten nicht ausschöpfen. Deshalb müssen adaptronische Systeme bereits in der frühen Entwicklungsphase berücksichtigt und ihr Einfluss auf das Gesamtschwingungsverhalten des Fahrzeugs simuliert werden. Eine globale, simulationsbasierte Optimierung passiver und adaptronischer Maßnahmen war bisher in der Serienentwicklung von Kraftfahrzeugen nicht bekannt.
Modelle und Daten fließen in einem Werkzeug für die Leichtbauoptimierung unter Berücksichtigung der vibro-akustischen Verhaltens zusammen.
Aufbau eines modularen Systemmodells für die Schwingungsprognose.
Modulare Simulation von Gesamtfahrzeugmodellen
Im Rahmen des Projektes wurde ein nutzerfreundliches Simulations- und Modellierungsverfahren für die Gesamtfahrzeugsimulation mit adaptronischen Maßnahmen entwickelt. Das Simulationstool kann bereits in frühen Entwicklungsphasen eingesetzt werden und ermöglicht so eine gezielte Beeinflussung des Schwingungs- und Akustikverhaltens durch Einbindung passiver und adaptronischer Maßnahmen sowie neuer Materialien. Durch die Modularität des Simulationstools und die Integration von Teilmodellen aus verschiedenen Bereichen können Fahrzeuge im gesamten Entwicklungsprozess akustisch und schwingungstechnisch analysiert und optimiert werden. Damit können Gewicht, Bauraumnutzung, Entwicklungszeiten und Kosten reduziert werden. Die ganzheitliche Betrachtung führt in einem vorgegebenen Kostenrahmen zu einer Gewichtssenkung und verbessertem Fahrkomfort.
Simulationsmodelle werden abhängig von Anwendungsfällen und Frequenzbereich aus verschiedenen Submodellen aufgebaut, die auf analytischen Beschreibungen, numerischen Modellen und experimentellen Daten beruhen und verschiedene Domänen verknüpfen. Die Gesamtmodellgröße wird für eine Systemsimulation mit Signalverarbeitung im Zeitbereich und eine gleichzeitige Optimierung verschiedener Leichtbauansätze und vibroakustischer Maßnahmen numerisch reduziert.
Im Rahmen von LeichtFahr wurden Maßnahmen für ein Demonstrationsfahrzeug abgeleitet. Ein Beispiel sind aktive Motorlager, welche die durch den Motor erzeugten Vibrationen noch vor der Einleitung in die Karosserie durch aktive Gegenkräfte beeinflussen und somit das Vibrationsverhalten in der Fahrgastzelle optimieren können. Hierbei stellt das Regelsystem einen integralen Bestandteil des aktiven Systems dar. Diese Maßnahmen wurden im Gesamtfahrzeugmodell simuliert und in dem Fahrzeug erlebbar umgesetzt.
