Mit Simcenter-Testlösungen optimiert Trek Bicycle die Geräuschentwicklung seiner E-Bike-Motoren
Das im Jahr 1976 gegründete Unternehmen Trek Bicycle (Trek) befindet sich in Waterloo, Wisconsin. Trek entwickelt und produziert ein vielfältiges Sortiment an Fahrrädern – von E-Mountainbikes über Rennräder und Citybikes bis hin zu hochwertigem Zubehör.
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Durch den Einsatz von Simcenter SCADAS XS und Simcenter Testlab Neo konnte ich mich statt auf die Methodenentwicklung vollständig auf die Analyse und den Erkenntnisgewinn aus den Resultaten konzentrieren.
Das im Jahr 1976 gegründete Unternehmen Trek Bicycle (Trek) befindet sich in Waterloo, Wisconsin. Trek entwickelt und produziert ein vielfältiges Sortiment an Fahrrädern – von E-Mountainbikes über Rennräder und Citybikes bis hin zu hochwertigem Zubehör. Trek setzt auf kontinuierliche Innovation und technologische Höchstleistung in seinem kompletten Produktportfolio.
Trek Bicycle setzt seine Innovationsführerschaft mit dem Fuel EXe Bike fort – einer wegweisenden Produktlinie, die im
Juli 2022 eingeführt wurde. Als leistungsstarkes E-Mountainbike der neuesten Generation überzeugt das Fuel EXe durch sein außergewöhnlich geräuscharmes Fahrerlebnis. Das Fuel EXe überzeugt durch das hochwertige Trek-Design, erstklassige Komponenten, einen leichten und zugleich stabilen Rahmen sowie einen leistungsstarken E-Motor für ein optimales Fahrerlebnis. Trek etablierte die E-Bike-Akustik als Qualitätsmerkmal und überzeugt mit einer innovativen Bike-Engineering-Abteilung: Erfahrene MTB-Konstrukteure arbeiten hier Hand in Hand mit Fahrrad-Analysten, um neue Leistungskennzahlen wie die Akustik messbar und quantifizierbar zu machen.
Trek ist führend in der Entwicklung von Lösungen, die Klangqualität mit der metrischen Erfassung von E-Mountainbikes verbinden – ein Thema, das die Branche weiterhin intensiv beschäftigt.
„Als Akustik-Test- und Analyseexperte bei Trek – was nicht nur für mich persönlich, sondern auch für die gesamte Fahrradbranche eine völlig neue Position darstellte – war es unser Ziel, die akustischen Kompetenzen von Trek auf ein neues Level zu bringen und zugleich innovative Test- und Analyseverfahren in den Entwicklungszyklus des Fuel EXe zu integrieren“, erläutert Paul Harder, leitender FuE-Ingenieur in der Trek
Performance Research Group bei Trek.
„Es handelte sich um ein wegweisendes Projekt mit zahlreichen parallelen Meilensteinen.“
Die FuE-Spezialisten der Performance Research Group bei Trek fokussieren sich auf die experimentelle und simulationsbasierte Entwicklung, evaluieren neue Prototypen-Konzepte und gewinnen durch gezielte Tests wichtige Erkenntnisse über Fahrradphysik und Human Performance. Diese Suche nach neuen Erkenntnissen führte das Team in den Bereich der Klangqualität.
„Die Branche hat im Verlauf der Jahre bedeutende Fortschritte erzielt: E-Bike-Motoren und -Akkus sind heute kompakter, leichter und besser integriert – für ein natürlicheres Fahrgefühl“, erläutert Harder. Doch die systemeigenen Geräusche von Motor und Getriebe stellten weiterhin eine große Herausforderung dar. Mit dem Fuel EXe bot sich uns die einzigartige Chance, das finale Puzzlestück zu optimieren und ein E-Bike
zu entwickeln, das absolut keine Kompromisse eingeht.“
Für die Entwicklung dieses E-Bikes kooperierte Trek mit Siemens Digital Industries Software und setzte die Simcenter-Software™ im Konstruktionsprozess ein, um das Fuel EXe zum Leben zu erwecken. Simcenter ist Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform mit Software, Hardware und Services.
Das Team ließ sich von der Elektrofahrzeugindustrie (EV) inspirieren. Es erkannte das Potenzial der E-Bike-Akustik – ähnlich wie in den Pioniertagen der Elektromobilität. Das Trek-Team vollendete die akustische Entwicklung, indem es beim Fuel EXe sowohl das Klangerlebnis als auch störende Geräusche genauestens analysierte. Dies umfasste die Analyse der ersten branchenweiten akustischen Kennzahlen im E-Bike-Sektor, darunter die Tonalität und den Artikulationsindex.
„Da ich fast immer mit anderen Leuten fahre, empfinde ich jegliche Störgeräusche als hinderlich für die Kommunikation. Dies bezieht sich auf den Artikulationsindex“, erklärt Harder. Der Einsatz der Tonalität als Kernindikator für störende Geräusche resultiert aus umfangreichen Studien und Analysen der verschiedenen Schallqualitätsparameter, die standardmäßig bei Elektromotoren zum Einsatz kommen.“
Harder und das MTB-Entwicklungsteam von Trek waren sich bewusst, dass das Klangerlebnis des Fuel EXe maßgeblich vom E-Motor bestimmt wird. Das Team setzte auf den HPR120-Motor von TQ – ein leistungsstarker Antrieb, der trotz seiner Lautstärke überzeugte. Das Team arbeitete an einer kompakteren und geräuschärmeren Motorvariante. Die innovative Pin-Ring-Technologie von TQ überzeugte durch ein Minimum an beweglichen Komponenten und eine spezielle Verzahnung – ideale Voraussetzungen für die Entwicklung eines deutlich leiseren Motors.
„Durch unsere exklusive Partnerschaft mit dem E-Motoren-Hersteller TQ können wir bei der Entwicklung von Spezifikationen und der Durchführung von Tests optimal kooperieren“, so Harder. Aus dieser erfolgreichen Kooperation ging der HPR50 E-Motor hervor, der sowohl im Fuel EXe als auch im Domane+ verbaut wird.“
Das Trek-Team setzte auf Simcenter Testlab, um den Begriff „wirklich guter Klang“
im Kontext von Akustiktests und technischer Entwicklung zu konkretisieren.
Nach intensiven Abstimmungen zwischen Trek und TQ konnten die HPR50-Prototypen endlich in die Testphase übergehen. Die Testfahrer von Trek bestätigten: Die Prototypen mit dem HPR50
E-Motor überzeugten mit einem erstklassigen Klangbild. Diese erfreuliche Entwicklung gab Anlass zur Zuversicht, dennoch war Harder bewusst, dass noch weitere wichtige Etappen zu bewältigen waren.
„Wir verfügten bereits über ausgefeilte Methoden für Akustiktests und deren Auswertung. Die eigentliche Aufgabe bestand jedoch darin, den Begriff ,wirklich guter Klang’ für E-Bikes greifbar zu machen“, so Harder. Die Akustik war das Herzstück unserer Vision für den neuen TQ-Motor. Durch detaillierte Analysen konnten wir die Schallentwicklung der Prototypen messbar machen und im Entwicklungsprozess gezielt optimieren.
Bei der Geräuschmessung zeigte sich: Das Fuel EXe arbeitet nur halb so laut wie andere E-Bikes. Die Testfahrer waren sich einig – der positive Unterschied in der Praxis fiel noch größer aus.
„An diesem Punkt wurde uns bewusst, dass die Klangqualität ein entscheidender Faktor für das E-Bike-Erlebnis ist und die Tonalität als zentrale Kennzahl die Geräuschqualität des Elektromotors messbar macht“, erläutert Harder. Uns war klar, dass wir bei der Quantifizierung dieser Klangcharakteristiken einen innovativeren Ansatz entwickeln mussten. Also sind wir zum Aspekt der Klangqualität übergegangen, der eine Vielzahl von
Optionen bietet. Wir haben den akustischen Spielraum für E-Fahrzeuge eingehend analysiert und dabei bestätigt, dass Tonalität der Schlüssel zum Erfolg ist.“
Die ersten Testdurchläufe zeigten, dass das Team spezifischere akustische Messwerte für die weitere Entwicklung benötigte. Es begab sich auf den Weg zum Tonstudio in der Trek-Zentrale in Waterloo, Wisconsin, wo sich auch die privaten Mountainbike-Strecken von Trek befinden, um weitere akustische Analysen durchzuführen. Diese
umfasste Kennzahlen für Schallleistung und Klangqualität wie Lautstärke, Tonalität und Artikulationsindex unter Verwendung von Simcenter-Testlösungen wie der portablen Simcenter SCADAS™ XS-Hardware und der Simcenter Testlab™ Neo-Software, der Softwareplattform der nächsten Generation für multidisziplinäres testbasiertes Performance-Engineering.
„Simcenter SCADAS XS überzeugt im Feldeinsatz durch sein kompaktes Design – es passt bequem in eine Trikottasche, ist nahtlos in das binaurale Headset integriert und lässt sich drahtlos über die Simcenter Testlab Scope App auf dem Tablet steuern“, erläutert Harder. „Bei den Trail-Tests kamen zusätzlich ein GPS-System sowie eine Action-Kamera zum Einsatz, wodurch wir die Daten in Simcenter Testlab Neo anschaulich darstellen konnten.“
Die Laborausstattung bestand aus dem Simcenter SCADAS XS, professionellen Mikrofonen, einem schallgedämmten stationären Trainer mit 300 W Gesamtwiderstand sowie dem Trek Fuel EXe im maximalen Unterstützungsmodus. Das Trek-Team berechnete die Tonalität unter Einsatz von Simcenter Testlab Neo nach ECMA-74:2019-Standard.
„Die Analyse diverser Klangqualitätsparameter machte Folgendes deutlich: Die Tonalität spiegelt am besten wider, was unsere Fahrer tatsächlich wahrnehmen“, erklärt Harder. „Die Nutzung von Simcenter Testlab ermöglichte uns eine unkomplizierte Untersuchung zusätzlicher Schlüsselmetriken, darunter die Prominenz und den Artikulationsindex. Besonders ärgerlich ist es, wenn man tagelang einen Algorithmus händisch entwickelt, um am Ende zu erkennen, dass er keine relevanten Messwerte für diese Testphase generiert.“
Harder und sein Team lieferten während der gesamten Prototypenentwicklung wertvolles Feedback und erarbeiteten letztendlich innovative Diagnoseverfahren zur Akustikoptimierung von E-Bikes. Im letzten Validierungsschritt wurden die Feld- und Laborergebnisse während einer zweitägigen Testreihe am finalen Produktionsmotor in einer reflexionsarmen Kammer verifiziert. Die endgültigen Testergebnisse belegen: Dank Simcenter konnte das Fuel EXe so konzipiert werden, dass es einen um das 5-fache besseren Fahrkomfort bietet und sich durch eine nahezu halbierte Geräuschkulisse von anderen führenden E-Mountainbikes auszeichnet.
Als die Modelle HPR50 und Fuel EXe in die Produktion gingen, wurde der Trek Performance Research Group bewusst, dass sie an einer bahnbrechenden E-Bike-Akustik arbeitete.
„Es ist außerordentlich kompliziert, die Wahrnehmung von Klängen durch den Menschen präzise zu erfassen“, so Harder. Mit Simcenter SCADAS XS und Simcenter Testlab Neo lag mein Fokus nicht mehr auf der Methodik, sondern auf den wertvollen Erkenntnissen aus den gewonnenen Daten. Die Fähigkeit, Kennzahlen flexibel zu testen und Daten dynamisch zu visualisieren, zu filtern und auszuwerten, ermöglichte deutlich schnellere und fundierte Erkenntnisse als mit herkömmlichen Methoden.“ Harder erklärt: „Der entscheidende Durchbruch besteht darin, dass wir diese Tools und unser akustisches Fachwissen nun bereits in den frühen Entwicklungsphasen künftiger E-Motor- und E-Bike-Projekte einsetzen können.“
Für sämtliche Test- und Laboranwendungen kam das leistungsstarke Simcenter SCADAS XS zum Einsatz.
Die Verwendung von Simcenter SCADAS XS für Feldtests ist ziemlich einfach, da es in eine Fahrradtrikottasche passt, sich nahtlos in das binaurale Headset integriert und mit der Simcenter Testlab Scope App auf einem Tablet im Freien drahtlos gesteuert werden kann.