Un esperto di acustica tedesco utilizza le soluzioni Siemens per migliorare lo sviluppo dei veicoli elettrici e autonomi

Risolvere le problematiche NVH emergenti

AZL, un'azienda tedesca che produce banchi di prova e fornisce servizi di consulenza ingegneristica per il settore automobilistico fin dal 1999, conosce bene i problemi continui correlati allo sviluppo di veicoli elettrici (EV, Electrical Vehicle) e autonomi (AV, Autonomous Vehicle). Per soddisfare le nuove esigenze di sviluppo in termini di rumore, vibrazione e asperità (NVH, Noise, Vibration and Harshness), AZL sta implementando tecnologie innovative come l'analisi TPA (Transfer Path Analysis) basata sui componenti e il test dei sistemi basato su modello (MBST, Model-Based System Testing).

Queste tecnologie consentono ad AZL di realizzare speciali banchi di prova che rispondono alle problematiche NVH emergenti, per offrire ai clienti procedure di test innovative, capaci di generare informazioni che indicano come ottimizzare le prestazioni NVH di veicoli elettrici e autonomi, fin dalle primissime fasi del processo di sviluppo.

Problematiche NVH emergenti nello sviluppo di veicoli elettrici e autonomi

Secondo Andreas Schilp, Managing Director di AZL-Technology Center GmbH, lo sviluppo di veicoli elettrici e autonomi presenta tre problematiche principali, che costituiscono anche un'opportunità:

Innanzitutto, il rumore ad alta frequenza generato dalle strutture risulta più importante nei veicoli elettrici, pertanto occorre sviluppare boccole e montaggi con caratteristiche di rigidezza appropriate in tale gamma di frequenze, oltre a banchi di prova che rispondano a questa esigenza.

In secondo luogo, in seguito all'eliminazione del motore a combustione, che maschera notevolmente i rumori alle basse velocità, il rumore della strada associato alla struttura risulta molto più evidente e per i clienti diventa pertanto essenziale progettare sistemi di sospensioni efficaci. AZL sviluppa attivamente banchi di prova espressamente concepiti per gestire il problema del rumore della strada e fa tutto il possibile per raccogliere i dati necessari allo scopo di validare i modelli di simulazione. Oltre ai test a livello di intero veicolo, l'azienda sviluppa anche test per sistemi di sospensioni isolati, ad esempio per analizzare separatamente i sistemi di sospensioni anteriori e posteriori sul dinamometro del telaio.

Infine, AZL sta studiando la possibilità di trasferire nell'ambiente di simulazione i risultati dei test su questi componenti e sistemi, nell'ambito del Digital Twin del prodotto. Per produrre un Digital Twin accurato, il modello di simulazione deve ricevere dati precisi.

Nuovi processi di sviluppo per veicoli della prossima generazione

L'idea del Digital Twin è perfettamente in linea con le tendenze attuali del settore. Anziché testare il veicolo finale completo, le prove fisiche vengono eseguite in una fase precedente, a livello di sistema e componente. Questo approccio può ridurre notevolmente la durata del ciclo di sviluppo utilizzato dai produttori di veicoli elettrici e autonomi, che avvertono l'esigenza pressante di rivedere e innovare i processi.

"Per quanto riguarda lo sviluppo di veicoli elettrici, stiamo cercando di fare un passo indietro rispetto allo sviluppo di un veicolo completo, per concentrarci maggiormente su sistemi e componenti. Lo stesso vale anche per i cicli di sviluppo ottimizzati, a causa dei nuovi processi di omologazione", spiega Schilp.

Nello scenario ideale, lo sviluppo inizia con la configurazione dei modelli di simulazione. AZL realizza uno speciale banco di prova che consente di eseguire i test NVH a livello di componente e di sistema, applicando condizioni al contorno attentamente definite. "In qualità di produttore dei banchi di prova, dobbiamo fornire ai clienti indicazioni chiare", afferma Schilp.

Per acquisire con precisione i dati dei banchi di prova, AZL utilizza il software Simcenter™ Testlab™ di Siemens Digital Industries Software insieme all'hardware Simcenter™ SCADAS, che è compatibile con una vasta gamma di sensori e interfacce dati.

“La peculiarità del portfolio Simcenter è costituita dalla possibilità di integrare completamente i risultati dei test con quelli delle simulazioni, allo scopo di confrontarli esattamente nello stesso ambiente”, dichiara Schilp.

Forze bloccate nello sviluppo dei veicoli basato su NVH

La tendenza sempre più diffusa verso lo sviluppo basato sui sistemi ha dato origine a una nuova tecnica denominata analisi TPA basata sui componenti. L'analisi TPA è costituita dalla valutazione delle forze e dei momenti bloccati, con lo scopo di caratterizzare il sistema.

"Durante lo sviluppo, le forze bloccate sono importanti perché ci consentono di separare i sistemi fra loro", spiega Schilp. "Dobbiamo separarli in termini di forze interagenti e momenti interagenti. Queste forze interagenti non sono invarianti e dipendono dall'assieme completo, mentre le forze bloccate sono una caratteristica intrinseca del sistema".

Nel settore automobilistico, la caratterizzazione dei sistemi, indipendentemente dall'integrazione successiva, è estremamente importante nel contesto dei rapporti fra OEM (Original Equipment Manufacturer) e fornitori.

"Con l'approccio basato sulle ‘forze bloccate’, non devi prima integrare il componente nel veicolo completo, per poi imputare al fornitore un effetto dovuto al veicolo completo", spiega Schilp, "ma puoi chiedere al fornitore di assumersi la responsabilità del proprio sistema, testando direttamente i componenti".

AZL aiuta i clienti a sviluppare banchi di prova che consentono di identificare con precisione le forze bloccate. Questo passaggio è fondamentale per raggiungere l'obiettivo finale, ovvero la preparazione del terreno per l'assemblaggio del veicolo virtuale.

"La capacità di calcolare gli effetti delle forze bloccate sull'interfaccia costituisce un elemento chiave per l'assemblaggio dei veicoli virtuali", dichiara Schilp. "In questo modo è possibile generare i risultati di simulazioni o test con le forze bloccate dei sistemi e quindi combinarli fra loro in modo da prevedere le prestazioni di un veicolo virtuale. A mio avviso, con un processo di simulazione ibrido e risultati di test affidabili a livello di sistema è possibile implementare un efficace sistema di obiettivi a cascata, sicuramente per la gamma di frequenze inferiore, fino a 500 Hz. Procedendo in senso inverso, ovvero integrando i componenti, è possibile prevedere con precisione la qualità del prototipo virtuale".

Il processo di analisi TPA basato sui componenti è completamente supportato dal software Simcenter Testlab e dal sistema di acquisizione dati Simcenter SCADAS, che forniscono una soluzione integrata per la misurazione ottimale della qualità dei dati operativi e di risposta in frequenza (FRF, Frequency Response Function), oltre a uno strumento di analisi orientato al workflow. Questa capacità consente di determinare le forze bloccate, convertirle in forze di interfaccia e ottenere una previsione mirata in modo estremamente rapido ed efficiente.

Poiché nelle applicazioni più esigenti, come l'analisi TPA basata sui componenti, la coerenza è essenziale, sono state aggiunte funzioni di ottimizzazione della produttività, come la mappa di calore, che permette agli utenti di interpretare grandi set di dati con un singolo clic. La visualizzazione consente di verificare all'istante la qualità dei dati e offre utilissimi insight sul comportamento vibro-acustico dei diversi componenti. Sono disponibili anche numerose funzionalità integrate che consentono di verificare le incoerenze nei dati, come gli errori di direzione e i problemi di reciprocità.

L'analisi TPA basata sui componenti e la conversione delle forze bloccate in forze di interfaccia sono completamente supportate da Simcenter Testlab.

Esperti del rumore su strada

AZL fornisce un ambiente di prova ottimizzato, sviluppando dinamometri personalizzati per il telaio con superfici variabili. Gli allestimenti di prova aggiuntivi, denominati sospensioni AZL, e quello per la forza degli pneumatici, consentono di testare il veicolo completo, le sospensioni anteriori e posteriori e le combinazioni pneumatico-cerchio, applicando sollecitazioni identiche. In questo modo, l'approccio basato sul modello V prende vita in un ambiente altamente riproducibile.

Basandosi su un database di dati di misura ottimali, i modelli validati dai test forniscono un ambiente affidabile per l'ulteriore sviluppo dei veicoli virtuali.