Verbesserung des akustischen Komforts in Elektrofahrzeugen durch die kombinierte Simulation von Elektroantriebsstrang- und Fahrzeugmodellen

Die Herausforderungen bei Elektrofahrzeugen meistern

Die Hyundai Motor Group (HMG) hat sich mit beliebten Autos wie dem Ioniq 5 als Marktführer auf dem Markt für Elektrofahrzeuge (EV) etabliert. Doch um seine Position zu behaupten, muss das Unternehmen mit jedem neuen Produkt, das es entwickelt, kontinuierlich bestrebt sein, die Leistung zu verbessern.

Für die Ingenieure bei HMG ist die Simulation seit vielen Jahren ein zentrales Element bei der Entwicklung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE), aber der Einsatz von Simulationen zur Verbesserung der Leistung von Elektrofahrzeugen bringt neue Herausforderungen mit sich.

Geräusche, Vibrationen und Rauheit (NVH, Noise, Vibration and Harshness) stehen bei der Leistungsverbesserung im Fokus, da sie die Benutzererfahrung insgesamt erheblich beeinflussen. Verbrennungsmotoren überdecken viele Fahrzeuggeräusche, aber da elektrische Antriebe viel leiser sind, können selbst die leisesten Geräusche spürbar und irritierend werden. Elektrofahrzeuge erzeugen auch Geräusche mit unterschiedlichen Frequenzen, die von herkömmlichen Simulationsmethoden nicht immer erfasst werden können. Daher müssen die Simulationstechniken angepasst werden, um Geräusche genau vorherzusagen, sodass Bauteile und Fahrzeugkonstruktionen geändert werden können, um die Geräusche zu eliminieren.

Um diese Herausforderung zu meistern, entschied sich HMG für Simcenter Engineering and Consulting Services (Siemens Engineering Services), die Software Simcenter™ 3D, Simcenter Testlab™ und Simcenter Nastran von Siemens Digital Industries Software. Simcenter ist Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform mit Software, Hardware und Services.

Ein FE-Modell eines strukturell getrimmten Körpers.

Vorhersage des hochfrequenten Aufheulens des Antriebsstrangs

Ji Woo Yoo, leitender Forschungsingenieur im virtuellen Entwicklungsteam für Fahrkomfort bei HMG, erklärt, dass ein besonderes akustisches Problem im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen ein pfeifendes oder heulendes hochfrequentes Geräusch ist. Obwohl es viel leiser ist als Straßenlärm, kann es unmöglich ignoriert werden, sobald es von einem Fahrzeuginsassen wahrgenommen wurde, da es nicht durch das Geräusch des Verbrennungsmotors überlagert wird. Damit die Simulation in der Entwicklung effektiv eingesetzt werden kann, muss sie dieses hochfrequente Geräusch genau vorhersagen.

„In der Vergangenheit wurden Simulationen verwendet, um hochfrequente Geräusche wie Windgeräusche vorherzusagen“, sagt Ji Woo. "Aber die Vorhersage dieses neuen, spezifischen Geräuschs des elektrischen Antriebsstrangs stellt eine neue Herausforderung dar. Am kompliziertesten ist dabei die Kombination des elektrischen Antriebsstrangmodells mit dem Fahrzeugmodell, um die Geräuschentwicklung im Innenraum genau vorherzusagen. Dies erfordert umfangreiche Berechnungen, die mit bisherigen Methoden extrem zeitaufwendig oder schlichtweg gar nicht möglich wären.“

Durch den Einsatz von Simcenter 3D und Simcenter Testlab konnten die HMG-Ingenieure jedoch jede Berechnung separat erhalten, was wertvolle Berechnungszeit und Computerressourcen sparte.

Ein FE-Modell einer akustischen Kavität.

Simulation von Körperschall und Luftschall

Die Komplexität entsteht dabei nicht nur durch die hohe Frequenz des Schalls, sondern auch dadurch, dass er strukturbedingt und luftgetragen ist. Software zur Geräuschvorhersage konzentriert sich normalerweise entweder auf das eine oder das andere, sodass eine Simulationsmethode nicht beide gleichzeitig vorhersagen kann.

Um dieses Problem zu überwinden, arbeitete HMG mit Simcenter Engineering Services zusammen, um eine Methode zu entwickeln, mit der sich beide Geräuschquellen effizient berechnen lassen. Für den Körperschall arbeiteten die Teams gemeinsam an der Modellierung der getrimmten Fahrzeugkarosserie in Simcenter Nastran mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM). Dabei wurde ein Schall bis zu 1,5 kHz prognostiziert.

Sobald der Körperschall vollständig verstanden war, konnte das Team Konstruktionsänderungen vornehmen, um seine Auswirkungen zu verringern. Dazu gehörte es, die Steifigkeit der Lagerung zwischen dem elektrischen Antriebsstrang und dem Fahrzeug anzupassen sowie die Eigenschaften der Bodenplatten zu modifizieren.

Angezeigt werden die äußeren Drucklastpanels mit dem höchsten Anteil.

Die Simulation des Luftschalls ist komplizierter. Erneut wurde die Finite-Elemente-Methode verwendet, um die akustische Strahlung des elektrischen Antriebsstrangs und die akustische Anregung der Fahrzeugverkleidungen vorherzusagen. Um eine genaue Vorhersage zu treffen, war es wichtig, auch die Geräuschpakete zu modellieren, die sich an der Fahrzeugaußenseite befinden – Motorhaubenisolierung, Radabdeckungen und Unterfahrschutz. Das Fahrzeug war jedoch zu schwer, um dies mit FEM zu modellieren, da dies viel zu viel Rechenleistung erfordert hätte. Stattdessen arbeitete HMG mit den Experten von Simcenter Engineering Services zusammen, um ein statistisches Energieanalysemodell anzuwenden. Dies ist eine Methode, die zur Beseitigung von hochfrequenten Geräuschen entwickelt wurde. In diesem Fall wurde Rauschen bis zu 8 kHz vorhergesagt.

Das Rauschen wurde in Quelle, Pfad und Empfänger unterteilt, um deren Stärke zu quantifizieren – ein Prozess, der als Zielkaskadierung bezeichnet wird. Durch die Simulation in Simcenter 3D konnte das Team das von jeder Quelle ausgehende Geräusch viel effizienter als mit herkömmlichen Testverfahren verbessern.

Kapselung zur Dämpfung des Hauptteils des elektrischen Antriebsstrangs.

Enge Zusammenarbeit und kontinuierliche Verbesserung

"Das Team von Simcenter Engineering Services hat während der gesamten Zeit eng mit uns zusammengearbeitet", sagt Ji Woo. „Wir erklärten, was wir erreichen mussten, und sie zeigten uns, wie wir das Beste aus der Simcenter-Software herausholen können. Ich glaube nicht, dass wir ohne ihre Expertise die gleichen Ergebnisse erzielt hätten.“

Außerdem ist er daran interessiert, die neuen Simulationstechniken weiter zu verbessern, um zusätzliche Vorteile für HMG zu erzielen. „Eine weitere Rationalisierung des Prozesses würde uns effizienter machen“, sagt Ji Woo. "Ein Vorteil der Simcenter-Tools ist, dass man kein Simulationsexperte sein muss, um sie zu verwenden. Sobald wir also unsere Prozesse und Daten in Simcenter standardisiert haben, können wir sie mehr Ingenieuren vorstellen, wodurch unsere Simulationsexperten Zeit für neue Projekte gewinnen."