Schwingungen können unerwünschte Geräusche im Fahrzeug erzeugen, ja sogar Übelkeit bei den Insassen hervorrufen. Um solche Schwingungen schon im frühen Entwicklungsstadium zu erkennen und abzustellen, setzen die Automobilhersteller auf Simulation. Dabei übernimmt die NVH-Analyse eine wichtige Rolle. Sie hilft, die Entwicklungszeit von Fahrzeugen zu reduzieren.
Der Autor: Dr.-Ing. Rolf Langbein, freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion
Thomas Müller ist stolz auf sein neues Auto. Was die fahrtechnischen Belange angeht, ist er mehr als zufrieden. Darüber hinaus beeindruckt ihn aber auch der niedrige Geräuschpegel im Fahrzeug. Ob in der Stadt oder bei Fahrten auf der Autobahn, keine unerwünschten Geräusche beeinträchtigen den Fahrkomfort.
Welchen Aufwand die Automobilhersteller betreiben, um diesen Fahrkomfort zu realisieren, bleibt für den Kunden meistens verborgen. Denn die Ursachen für unerwünschte Geräusche und Vibrationen sind vielfältig und ihre Auswirkungen äußerst komplex. Daher gilt es, in umfangreichen Untersuchungen und Simulationen störende Geräuschquellen aufzudecken und sie weitgehend zu eliminieren. „Alle unerwünschten Geräusche, die den Fahrkomfort im Fahrzeug beeinträchtigen, umschreiben wir mit NVH – Noise, Vibration und Harshness“, berichtet Marco Oswald. Meistens komme ein Geräusch durch schwingungsübertragende Medien zustande, erklärt der Team Leader Customer & Sales Support bei der Ansys Germany GmbH in Darmstadt. „Das kann eine hörbare Schwingung sein, dann ist es der Schall, den wir mit den Ohren wahrnehmen“, sagt Oswald, „es kann aber auch eine fühlbare Schwingung sein, wenn zum Beispiel das Lenkrad in der Hand zu vibrieren beginnt.“ Auch das beeinträchtige den Fahrkomfort.
„Mit Harshness, frei übersetzt Härte oder Rauheit, wird ein niederfrequenter Bereich von rund 20 bis 100 Herz bezeichnet, der im wahrsten Sinne des Wortes Fahrzeuginsassen auf den Magen schlagen kann“, weiß Oswald. So könne zum Beispiel beim Öffnen eines Schiebedaches bei einer bestimmten Geschwindigkeit eine Strömung angeregt werden, die den Innenraum in einem niederfrequenten Bereich mit hoher Amplitude schwingen lasse. Dieser subjektiv unterschiedlich empfundene Resonanzeffekt könne dazu führen, dass es Passagieren schlecht wird.
NVH-Analyse ist Akustik-Simulation
Den Entwicklern und Konstrukteuren bei den Automobilherstellern stehen für die sogenannte NVH-Analyse schon im frühen Stadium der Konstruktion komplexe Simulations-Software-Programme zur Verfügung, mit deren Hilfe sie akustische Schwachstellen ermitteln und diese reduzieren oder vermeiden können. „Im Prinzip ist die NVH-Analyse nichts anderes als Akustik-Simulation“, erklärt Oswald, „denn wir wollen wissen, was da akustisch passiert.“ Dabei unterscheiden die Entwickler zwei verschiedene Arten von Schall, nämlich den Körperschall, der von schwingenden Bauteilen oder vom gesamten Fahrzeug ausgelöst wird, und den Luftschall. Letzterer wird unter anderem durch Turbulenzen erzeugt, entsteht nur in der Luft oder an der Wand, aber nicht im Bauteil selbst. Die Simulation von Luftschallquellen erfolgt zum Beispiel in der Strömungssimulations-Software Ansys CFD.
Was den Körperschall anbelangt, so ist der im Prinzip erst einmal nur eine Vibrationsanregung eines Körpers oder eines Systems und selbst nicht hörbar. „Mit Hilfe der sogenannten Modalanalyse in Ansys Mechanical erhalten wir in der Simulation Informationen über Deformationen und Eigenfrequenzen der Bauteile“, berichtet Oswald. Es ist wichtig zu wissen, wo die Eigenfrequenzen liegen, um deren Anregungen im weiteren Design zu vermeiden. In einem weiteren Schritt werden in der Simulation Bauteile durch äußere Einwirkungen wie Kräfte oder Momente zu Schwingungen angeregt. Dabei erhält der Entwickler Auskunft darüber, wie stark das entstehende Geräusch bei unterschiedlichen Schwingungen ist. Erst wenn die Vibration eines Bauteils oder eines Systems auf die Luft übertragen und diese zum Schwingen angeregt wird – und sofern der Wechseldruck $ 1 µPa beträgt – nehmen wir ein Geräusch im Frequenzbereich 16 Hz bis 16 kHz wahr.
Um möglichst realitätsnahe Berechnungen durchführen zu können, die in der Simulation aufzeigen, wo Schwachstellen hinsichtlich unerwünschter Geräusche liegen, muss zunächst einmal nach der Finite-Elemente-Methode ein mathematisches Modell des Fahrzeugs erstellt werden. „Diese Modelle erstellen wir mit einer bestimmten Software, sogenannten Grafik Tools, die CAD-Daten aus der Konstruktion lesen und in ein Modell umwandeln können“, gibt Gerald Himmler, Senior Technical Consultant bei der MSC Software GmbH in München, Einblick in die Vorgehensweise. „Unsere Simulations-Software Nastran, ein reiner Solver, ist nach Eingabe verschiedener Belastungen, die auf das Fahrzeug einwirken, in der Lage, die Auswirkungen dieser Belastungen zu berechnen“, erklärt er.
FE-Netz: feine Auflösung gefragt
Die Genauigkeit der Berechnungen hängt allerdings davon ab, ob das Finite-Elemente-Netz an den hochbelasteten Stellen des Modells auch fein genug aufgelöst ist. Das lässt sich zum einen aus der Erfahrung heraus gut annähern. „Es gibt aber auch die Möglichkeit einer sogenannten dynamischen Adaption“, bemerkt Ansys-Teamleader Oswald, „das heißt, wir können es insbesondere bei der Strömungssimulation dem Solver überlassen, zu entscheiden, wie fein das Gitter wird.“ Dazu beginne man mit einem Probegitter. Stelle der Solver dann fest, dass der Druckgradient an einer Stelle sehr hoch wird, könne er das Gitter automatisch verfeinern.
An das Spektrum der in die Simulation einzubringenden Belastungen gelangen die Entwickler auf unterschiedliche Weise. So liegen zum Beispiel bei den Automobilherstellern reichhaltige Erfahrungen bei Weiterentwicklungen von vorhandenen Baureihen vor, die verwendet werden können. Aber es gibt auch Simulationsprogramme wie die Software Adams von MSC, die sehr umfangreiche Teststrecken-Simulationen erlaubt. „Diese lassen das Auto über Teststrecken fahren mit allen gemessenen Erregungen, Schlaglöchern, Brems-und Beschleunigungsphasen“, erläutert Himmler, „und ermitteln die dabei auftretenden Belastungen.“
Ohne zunächst einen Crash zu berücksichtigen, ist das Programm in der Lage, Querschnittsdaten der Schalenstrukturen oder von Holmen in Abhängigkeit von Material und möglichst geringem Gewicht zu optimieren.
Marco Oswald unterstreicht noch einmal, dass Akustik immer eine Kombination aus Körperschall und Luftschall ist. Am Seitenspiegel des Autos lasse sich das gut veranschaulichen. Werde ein Außenspiegel umströmt, werde die Strömung dahinter wie normalerweise auch hinter dem Auto verwirbelt. „Diese Verwirbelung ist nun auf der Seitenscheibe als Vibration spürbar“, erklärt er. Daraus resultiere ein Körperschall, der innerhalb der Scheibe von draußen nach innen in die Fahrgastzelle übertragen werde und dort auf dem Luftwege an das Ohr des Fahrers gelange. „Das ist eine klassische Fluid-Struktur-Interaktion“, hebt Oswald hervor. „Wir dürfen nicht nur die Struktur, aber auch nicht nur die Luft betrachten, sondern beides und diese Möglichkeit bieten wir mit unseren Ansys-Softwareprogrammen.“
Ansys Germany, Tel.: 06151 3644-131, mathias.jirka@ansys.com
MSC Software, Tel.: 089 431987-486, syllvett.tsialos@mscsoftware.com
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