Schnellere und bessere Entscheidungen bei der Getriebekonstruktion durch Simulation

Streben nach schnellerer Optimierung

Hyundai Mobis konzipiert und liefert diverse Systeme für die Automobilindustrie – hierzu zählen Lenksysteme sowie elektrische Antriebskomponenten. Zuvor musste das Unternehmen zahlreiche Prototypen dieser Systeme anfertigen, aber aufgrund der von Kunden geforderten immer kürzeren Vorlaufzeiten wurde ein effizienterer, optimierter Ansatz erforderlich. Ohne das überlagernde Geräusch des Verbrennungsmotors (ICE) ist in einem Elektrofahrzeug (EV) jedes noch so kleine Geräusch oder jede Vibration viel deutlicher wahrnehmbar. Durch den Einsatz von Simulation werden Iterationen und Optimierungen mit einem digitalen Zwilling erheblich beschleunigt, was Konstrukteuren ermöglicht, ihre Konstruktionsentscheidungen auf solider Grundlage zu treffen.

Zur Erfüllung des Bedarfs an beschleunigter Entwicklung setzte Hyundai Mobis auf Simcenter™ 3D Software, die Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform für Software, Dienste und Hardware ist. Die Simulationsfunktionen dieser Software ermöglichen es Konstrukteuren, die Leistung von Systemen präzise vorherzusagen und die Konstruktionsoptimierung ohne Prototypenerstellung zu beschleunigen.

Simcenter 3D Motion

Laut Ho-Gil Yoo, Forschungs-Konstrukteur im Bereich Noise, Vibration and Harshness (NVH) bei Hyundai Mobis, hat das Unternehmen mit Simcenter 3D bereits hervorragende Ergebnisse erzielt und strebt an, diese weiter auszubauen. „Wir haben uns für Simcenter 3D entschieden, weil es leistungsfähige Funktionen für die akustische Simulation bietet“, erklärt er. „Wir hatten es bereits erfolgreich mit anderen Systemen eingesetzt, aber wir brauchten neue Werkzeuge, um den elektrischen Antriebsstrang zu simulieren. Übertragungsfehler zählen zu den Hauptursachen für unzureichende NVH-Leistung, doch die meisten in der Getriebsystemkonstruktion eingesetzten Werkzeuge sind quasi-statisch, was die Identifikation solcher Fehler erheblich erschwert. Wir haben Simcenter 3D Motion in unser Toolset aufgenommen, da seine Simulationsfunktionen im Zeitbereich es uns ermöglichen, die dynamischen Eigenschaften des Systems genau zu erfassen und Konstruktionen zu optimieren.“

Yoo erklärt, dass die Erstellung der komplexen Modelle zeitaufwendig ist, die Software den Prozess jedoch wirksam optimiert hat. „Simcenter 3D macht es einfach, strukturelle akustische Analysen mit Bewegungsmodellen in einem Verfahren zu synchronisieren“, erklärt er. Nachdem wir das einfache Modell erstellt hatten, verbesserten wir die Detailtreue durch die Einbeziehung von Konformität in das System. Wir haben den strukturellen Solver von Simcenter Nastran verwendet, um die flexiblen Körper zu berechnen und diese dann in das Simcenter 3D Motion-Modell einzugeben.“

Validierung mit Testdaten

Um zu gewährleisten, dass die Simulationsdaten und daraus abgeleitete Konstruktionsänderungen die tatsächliche Leistung exakt prognostizierten, war es für Yoo und sein Team unerlässlich, die Ergebnisse mittels physischer NVH-Prüfungen zu verifizieren. Nach der Auswertung der Ausgangsdaten identifizierte er deutliche Diskrepanzen zwischen den Modenfrequenzen aus Tests und Simulation, weshalb er auf eine Kombination aus Simcenter Testlab™-Software und Simcenter 3D Correlation zurückgriff, um die strukturellen Finite-Elemente (FE)-Modelle zu verfeinern und eine modale Korrelation herzustellen. Dies verhalf Yoo zu mehr Vertrauen in die
Simulationsergebnisse.

„Durch den Import der Testergebnisse in Simcenter 3D Correlation ließ sich leicht feststellen, ob wir weitere Iterationen für eine verbesserte Modellgenauigkeit durchführen mussten“, so Yoo. In solchen Fällen koppelten wir das Modell an Simcenter HEEDS, um automatisiert Simulationen durchzuführen und auf statistisch effizientem Weg zu einem optimierten Ergebnis zu gelangen, was die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Korrelation verbesserte.

Wir konnten feststellen, dass Simcenter 3D Motion hervorragende Möglichkeiten bietet, um Systeme auf detaillierterer Ebene zu erforschen. Es spiegelt die physikalischen Testergebnisse genau wider, was uns Sicherheit gibt, die Simulation zur Verbesserung unserer Konstruktionen einzusetzen.“

Schneller und besser

Während Yoo den Einsatz von Simcenter 3D ausgebaut hat, schätzt er besonders die Unterstützung, die er von Siemens Digital Industries Software erhalten hat. „Die gesamte Konstruktionsabteilung von Siemens ist mit der Software bestens vertraut“, sagt er. „Sie nehmen sich die Zeit, die Probleme zu verstehen, an denen wir arbeiten, und bieten immer hervorragende Einblicke, wie wir am besten vorgehen können.“

Die Simulationen führten zu Konstruktionsänderungen in der Mikrogeometrie, die Übertragungsfehler reduzierten und die NVH-Leistung verbesserten. Wir haben festgestellt, dass HEEDS Konstruktionsideen inspiriert, auf die wir selbst nicht kommen würden. Es hilft uns nicht nur, schneller zu optimieren, sondern führt auch zu besseren und effizienteren Konstruktionslösungen.

Als Menschen neigen wir dazu, bestimmte Optionen gar nicht in Betracht zu ziehen, weil sie unrealistisch erscheinen. Doch der automatisierte Algorithmus kennt diese Beschränkungen nicht. Es wird einfach nach der besten Optimierung gesucht und untersucht daher jede mögliche Konfiguration, auch solche, deren manuelle Untersuchung zu zeitaufwendig wäre.“

Durch den neuen Prozess geht Yoo davon aus, dass sich die Konstruktionszeit zukünftig maßgeblich reduzieren wird: „Ein detailliertes Modell eines flexiblen Körpers, das jede einzelne Komponente enthält, ist präzise, aber die Simulation dauert sehr lange. Mit Simcenter 3D lässt sich jedoch der Detailgrad des Modells während der Erstellung des Bewegungsmodells reduzieren, wobei die für NVH-Analysen erforderliche Präzision erhalten bleibt.“

Jenseits von Getrieben

Aufgrund seiner erfolgreichen Erfahrungen bei der Konstruktion von Getrieben ist Yoo entschlossen, ähnliche Methodiken auch auf andere Systeme anzuwenden. „Wir wollen Simcenter 3D Motion zur Analyse von Lenkung, Bremsen und anderen elektrischen Antriebssystemen einsetzen“, sagt er. Dies ermöglicht eine effizientere Optimierung und unterstützt uns dabei, die allgemeine NVH-Charakteristik von Fahrzeugen weiter zu verbessern.

Zudem haben wir vor Kurzem das Simcenter 3D Motion Gear Konstruktion Optimization (GDO)-Tool ergänzt, das in Verbindung mit Simcenter HEEDS die Iterationszyklen noch stärker beschleunigen dürfte. Dieser Prozess hat in der Vergangenheit bis zu zwei Wochen gedauert, aber er reduziert ihn auf höchstens drei oder vier Tage.“