Deutsches Akustikzentrum nutzt Siemens-Lösungen zur Verbesserung der Entwicklung elektrischer und autonomer Fahrzeuge

Bewältigung neuer NVH-Herausforderungen

AZL, ein deutsches Unternehmen für Akustikprüfstände und -entwicklung, ist seit 1999 für die Automobilindustrie tätig und stellt sich den permanenten Herausforderungen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EV) und autonomen Fahrzeugen (AV) mit Erfolg. Um den neuen Entwicklungsanforderungen bezüglich Geräuschen, Schwingungen und Robustheit (Noise, Vibration, Harshness, NVH) gerecht zu werden, implementiert das AZL innovative Technologien wie die komponentenbasierte Transferpfadanalyse (TPA) und den modellbasierten Systemtest (MBST).

Mit diesen Technologien baut AZL spezielle Prüfstände, um neue NVH-Herausforderungen zu meistern und seinen Kunden innovative Testverfahren zur Verfügung zu stellen, die zu Informationen darüber führen, wie die NVH-Eigenschaften für AV und EV bereits in viel früheren Entwicklungsstadien optimiert werden können.

Neue NVH-Herausforderungen bei der AV- und EV-Entwicklung

Laut Andreas Schilp, Geschäftsführer der AZL-Technology Center GmbH, bringt die Entwicklung von AV und EV drei wesentliche Herausforderungen und Chancen mit sich:

Erstens gewinnt hochfrequenter Körperschall in Bezug auf EV an Bedeutung, was bedeutet, dass Buchsen und Halterungen mit den richtigen Steifigkeitseigenschaften in diesem Frequenzbereich entwickelt werden müssen. Es müssen neue Prüfstände entwickelt werden, die diese Anforderungen erfüllen können.

Zweitens, da der Verbrennungsmotor hier keine Rolle mehr spielt und somit bei niedrigen Drehzahlen keine Geräusche übertönt werden, ist der Körperschall wesentlich deutlicher zu hören. Aus diesem Grund hat die Entwicklung hochwertiger Federungssysteme zur Schwingungsisolation für die Kunden eine hohe Priorität. AZL entwickelt entsprechende Prüfstände, um Fahrgeräusche besser absorbieren zu können, und strebt danach, die erforderlichen Daten zur Validierung von Simulationsmodellen zu erfassen. Das Unternehmen entwickelt auch Tests nicht nur auf der Ebene des Gesamtfahrzeugs, sondern auch für die Ebenen der isolierten Federungssysteme, wie z. B. die separate Prüfung nur eines vorderen oder hinteren Aufhängungssystems auf dem Rollenprüfstand.

Schließlich untersucht AZL Möglichkeiten, diese Komponenten- und Systemtestergebnisse als Teil des digitalen Zwillings des Produkts in die Simulationswelt zu übertragen. Um einen präzisen digitalen Zwilling zu erstellen, muss das Simulationsmodell mit korrekten Daten gespeist werden.

Fahrzeuge der nächsten Generation erfordern neue Entwicklungsprozesse

Das Konzept eines digitalen Zwillings geht Hand in Hand mit dem in der Branche zu verzeichnenden Trend. Anstatt das endgültige Gesamtfahrzeug zu testen, erfolgen die physischen Tests auf System- und Komponentenebene bereits früher. Diese Herangehensweise kann den Fahrzeugentwicklungszyklus erheblich verkürzen. Sie wirkt sich auch auf die Hersteller von AVs und EVs aus, die aufgefordert sind, den Entwicklungsprozess neu zu überdenken und zu innovieren.

„In Bezug auf die EV-Entwicklung geht der Trend von der Entwicklung auf Gesamtfahrzeugebene hin zu verstärkter Konzentration auf die System- und Komponentenebene – dasselbe gilt aufgrund der neuen Homologationsverfahren für optimierte Entwicklungszyklen“, so Schilp.

Idealerweise beginnt die Entwicklung mit der Erstellung von Simulationsmodellen. AZL baut spezielle Prüfstände, die in der Lage sind, NVH-Eigenschaften auf Komponenten- und Systemebene mit sorgfältig beschriebenen Randbedingungen zu testen. „Als Partner für Akustikprüfstände und –entwicklung bieten wir unseren Kunden hilfreiche Orientierungshilfen“, erläutert Schilp.

Zur genauen Erfassung der Prüfstandsdaten setzt AZL auf die Lösungen von Siemens Digital Industries Software Simcenter™ Testlab™ in Verbindung mit Simcenter™ SCADAS-Hardware, die mit einer breiten Palette von Sensoren und Datenschnittstellen kompatibel ist.

„Was das Simcenter™-Portfolio besonders auszeichnet, ist die enge Integration von Testergebnissen mit Simulationsergebnissen, um sie in genau derselben Umgebung direkt vergleichen zu können“, berichtet Schilp.

Blockierkräfte bei der Entwicklung von NVH-Fahrzeugen

Der zunehmende Trend hin zur systembasierten Entwicklung ist Auslöser für eine neue Technik, die als komponentenbasierte TPA bezeichnet wird. TPA umfasst die Berechnung von Blockierkräften (und -momenten) als Systemcharakterisierung.

„Die Bedeutung von Blockierkräften in unserer Entwicklung liegt darin, dass sie es ermöglichen, Systeme voneinander zu trennen“, sagt Schilp. „Wir müssen sie im Hinblick auf die wechselwirkenden Kräfte und wechselwirkenden Momente trennen. Diese wechselwirkenden Kräfte sind nicht invariant und hängen vom gesamten Baugruppenkontext ab, während die Blockierkräfte das System selbst charakterisieren“.

Eine von der späteren Integration unabhängige Charakterisierung der Systeme eröffnet ein großes Potenzial in den Handelsbeziehungen zwischen Erstausstattern (Original Equipment Manufacturer, OEM) und Lieferanten der Automobilbranche.

„Bei der Methode mit den ‚Blockierkräften' besteht keine Notwendigkeit, erst die Komponente in das Gesamtfahrzeug zu integrieren und dann den Zulieferer für das Endergebnis verantwortlich zu machen", sagt Schilp. „Stattdessen können Sie den Lieferanten für sein System in die Verantwortung nehmen und ihn dazu veranlassen, seine Komponente direkt zu testen.“

AZL hilft seinen Kunden, entsprechende Prüfstände zu entwickeln, die es ihnen ermöglichen, die Blockierkräfte präzise zu identifizieren. All dies stellt einen wichtigen Schritt zur Erreichung des Endziels dar, das darin besteht, den Weg für die virtuelle Fahrzeugmontage zu ebnen.

„Die Fähigkeit, Schnittstellenkräfte aus den Blockierkräften zu berechnen, ist einer der Bausteine, die eine virtuelle Fahrzeugmontage ermöglichen“, erklärt Schilp. „Dadurch lassen sich Simulations- oder Testergebnisse mit Blockierkräften von Systemen ermitteln und miteinander kombinieren, um die Leistung eines virtuellen Fahrzeugs vorherzusagen. Ich bin davon überzeugt, dass man mit dem richtigen hybriden Simulationsverfahren und zuverlässigen Testergebnissen auf Systemebene ein zuverlässiges System von absteigenden Zielen für den unteren Frequenzbereich bis zu 500 Hertz erreichen kann. Und umgekehrt, wenn Sie diese nach oben integrieren, erreichen Sie eine hohe Vorhersagequalität Ihres virtuellen Prototyps“.

Der Prozess für komponentenbasierte TPA wird mit durch die Simcenter Testlab-Software und dem Datenerfassungssystem Simcenter SCADAS vollständig unterstützt. So wird eine integrierte Lösung für eine optimale Messqualität von Betriebsdaten und frequenzabhängiger Übertragungsfunktionen (Frequency Response Function, FRF) sowie ein den Arbeitsabläufen entsprechendes Berechnungs-Tool verfügbar. Diese Funktion hilft den Anwendern, Blockierkräfte zu bestimmen, sie in Schnittstellenkräfte umzuwandeln und auf sehr schnelle und effiziente Weise Zielvorhersagen zu treffen.

Bei anspruchsvollen Anwendungen wie komponentenbasierten TPA-Daten ist Konsistenz unerlässlich. Es wurden produktivitätssteigernde Funktionen wie die Matrix-Heatmap hinzugefügt, die es Anwendern ermöglicht, große Datensätze mit einem einzigen Klick zu interpretieren. Die Anzeige erlaubt eine sofortige Überprüfung der Datenqualität und bietet einen umfassenden Einblick in das vibroakustische Verhalten der verschiedenen Komponenten. Darüber hinaus stehen dem Anwender viele integrierte Funktionalitäten zur Überprüfung von Inkonsistenzen in den Daten, wie z.B. Richtungsfehler und fehlender Gegenseitigkeit, zur Verfügung.

Komponentenbasierte TPA und die Umwandlung von Blockierkräften in Schnittstellenkräfte wird durch Simcenter Testlab vollständig unterstützt.

Fahrgeräusche absorbieren

AZL bietet eine optimierte Testumgebung durch die Entwicklung kundenspezifischer Rollenprüfstände mit variablen Oberflächen. Zusätzliche Prüfstände, die als AZL-Federungs- und Reifenkraftprüfstände bezeichnet werden, ermöglichen es, vollständige Fahrzeuge, Vorder- und Hinterradaufhängungen und Reifen-Felgen-Kombinationen mit exakt den gleichen Ansteuerungen zu testen. So wird der V-Modell-Ansatz in einer sehr reproduzierbaren Umgebung umgesetzt.

Auf der Grundlage einer optimierten Datenbank von Messdaten bieten testvalidierte Modelle eine zuverlässige Umgebung für die weitere Entwicklung virtueller Fahrzeuge.