Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erweiterung der Simulationsmöglichkeiten für maschinenakustische Untersuchungen an E-Motive-Antrieben im Kontext zur Fahrzeugstruktur

Das Ziel des Vorgängerprojektes IGF Nr. 17453 N war die Erstellung einer geeigneten hybriden Modellbildung zur Analyse des Gesamtfahrzeugs. Die hybride Modellbildung setzt sich aus der Simulation des Antriebsstrangs und der messtechnischen Erfassung der Fahrzeugstruktur zusammen. Hierzu mussten erstmals geeignete Schnittstellen für die interdisziplinären Inhalte entwickelt werden.

Der Forschungsbedarf für das Nachfolgeprojekt ergibt sich aus den neuen Einblicken mit einhergehendem erweitertem Verständnis für die Problematik der Kopplung aller Teildisziplinen im elektrischen Antriebsstrang. Die bisherigen Erkenntnisse, ermöglicht durch die Kopplung aller Teilmodelle, decken verbleibende Lücken zur physikalisch transparenten und sinnvollen Modellbildung auf.

Zur Schließung dieser Lücken werden die umfassenden Erkenntnisse in der akustischen Modellbildung eines elektrisch angetrieben Elektrofahrzeugs aus dem Vorhaben (IGF Nr. 17453 N) aufgegriffen. Im Fokus der weiteren Arbeiten steht die Vervollständigung der Modellkette, um weitere Einflussgrößen zum Verhalten des elektromechanischen Systems sowie dessen Regelung beschreiben zu können. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf die Rückwirkung der verschiedenen Teilmodelle aufeinander gelegt. Des Weiteren werden die Verfahren zur Modellbildung und Datenerfassung hinsichtlich Aufwand und Ergebnisqualität optimiert. Zusätzliche Informationen über die Notwendigkeit jeweiliger Modellverfeinerungen lassen sich dabei aus einer laufenden Beurteilung durch eine zu entwickelnde psychoakustische Auswertung gewinnen.

Die inhaltlichen Aspekte und erarbeiteten Methoden des Projektes zur Modellbildung und Messung sind auf jedes andere elektromechanische System übertragbar.

Ergebniszusammenfassung:

Ein zielgerichtetes Design eines Fahrzeugs hinsichtlich einer als z.B. als komfortabler, kräftiger oder markenspezifisch empfundenen Klangcharakteristik stellt einen wichtigen Schritt und einen Wettbewerbsvorteil bei der Entwicklung der Elektromobilität dar. Hierfür sind effiziente Berechnungsmethoden erforderlich, welche bereits in frühen Entwicklungsphasen mit möglichst geringem Aufwand das Geräuschverhalten eines Antriebsstranges vorhersagen können. Dazu muss bekannt sein, welche Bauteile und Effekte in welchem Umfang und welcher Art und Weise das NVH-Verhalten beeinflussen um NVH-Simulation und Produktoptimierung effizient zu fokussieren.

Es wurde eine umfangreiche Berechnungskette anhand eines kleinen Serienantriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs aufgebaut und an Messungen validiert, welche die in den Vorgängerprojekten (FVA 309 I bis III, FVA 682 I) als relevant identifizierten Zusammenhänge einbezieht. Sie umfasst u.a. Regelung, Leistungselektronik und Stromberechnung der PMSM in starker Kopplung mit dem durch umfangreiche Modalanalysen abgestimmten strukturdynamischen EMKS-Modell sowie numerische Schallabstrahlung und bildet auch Fertigungsabweichungen und Nichtlinearitäten wie z.B. Exzentrizität ab. Der objektive Vergleich der Simulation mit der Messung zeigt eine gute Übereinstimmung.

Die Berechnungskette wurde für Variantenrechnungen mit idealem Strom, idealer E-Maschine, Gehäusedämpfungen aus Literaturwerten und analytischer Abstrahlungsrechnung verwendet welche anhand psychoakustischer Größen und im Hörversuch (MUSHRA-Test) verglichen wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die ideale E-Maschine und die Dämpfungsvariation keinen signifikanten Einfluss auf das NVH-Verhalten darstellen, die analytische Abstrahlungsrechnung dagegen ungeeignet ist. Das Verfahren kann auf weitere Varianten angewendet werden um den Einfluss von verschiedenen Simulationsansätzen (z.B. der Verzahnung) oder Produkten (z.B. E-Maschine mit Einzelzahnwicklung) zu ermitteln.