LeichtFahr – Optimierter Leichtbau unter Berücksichtigung des Schwingungs- und Akustikverhaltens der Fahrzeugstruktur
Leichtbau, Komfort und Wirtschaftlichkeit in der Entwurfsphase optimieren
Fahrzeughersteller und Zulieferer können Leichtbaupotenziale erschließen, indem sie akustische und Schwingungseigenschaften bereits in der Entwurfsphase neuer Fahrzeuge berechnen, damit bewerten und solchen Fragestellungen mit entsprechenden Maßnahmen begegnen. Im Rahmen des Projektes LeichtFahr wurde ein Simulationstool für die ganzheitliche Betrachtung geregelter, sich selbst anpassender mechatronischer (adaptronischer) und passiver Maßnahmen zur Schwingungsminderung sowie neuer Materialien unter den Aspekten Leichtbau, Schwingungs- und Akustikverhalten sowie Wirtschaftlichkeit im Fahrzeugbau entwickelt werden. Das Simulationstool nutzt Aktor-, Sensor-, Regelungs- und Strukturmodelle auf Basis von analytischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen. Dazu wurde ein benutzerfreundliches Simulationswerkzeug erarbeitet und mittels Beispielanwendungen in Fahrzeugen erprobt.
Fahrzeuggeräusche entstehen an verschiedenen Quellen wie Motor, Nebenaggregate, Fahrbahn und Umströmung und werden häufig als störend empfunden. Teilweise, zum Beispiel beim Motor und der Abgasanlage, sind Geräusche auch als akustisches Feedback erwünscht oder werden sogar als charakteristisches Qualitätsmerkmal eines Fahrzeugs wahrgenommen. Gleichzeitig sollen Treibhausgasemissionen und Ressourcenverbrauch reduziert werden. Die Einsparpotenziale beim Fahrzeuggewicht und damit beim Verbrauch durch Leichtbaumaterialien sind erheblich. Doch beeinflussen Leichtbaukonzepte das Schwingungs- und Akustikverhalten der Fahrzeugstruktur oftmals negativ. Die Komfortziele in Fahrzeugen können durch passive Maßnahmen nur unter zusätzlichem Gewichtseinsatz erreicht werden, was dem Leichtbau gegenüber abträglich ist.
Adaptronische Systeme vermindern Schwingungen, in dem sie aktiv Kräfte in die Struktur einleiten und den vorhandenen Schwingungen entgegenwirken. Diese Systeme können Konflikte zwischen Leichtbau und Schwingungsverhalten entschärfen, sind jedoch in der Entwicklung komplexer. Eine nachträgliche Integration in bestehende Strukturen kann das volle Potenzial der Systeme bezüglich Leichtbau und Kosten nicht ausschöpfen. Deshalb müssen adaptronische Systeme bereits in der frühen Entwicklungsphase berücksichtigt und deren Einfluss auf das Gesamtschwingungsverhalten des Fahrzeuges simuliert werden. Eine globale, simulationsbasierte Optimierung passiver und adaptronischer Maßnahmen wurde bisher in der Serienentwicklung von Kraftfahrzeugen nicht eingesetzt.
Ziel des Projektes war daher, ein nutzerfreundliches Simulations- und Modellierungsverfahren für die Gesamtfahrzeugsimulation adaptronischer und passiver Maßnahmen in einer Software bereitzustellen. Dieses Simulationstools soll bereits in frühen Entwicklungsphasen eingesetzt werden und so eine gezielte Beeinflussung des Schwingungs- und Akustikverhaltens durch Einbindung passiver und adaptronischer Maßnahmen sowie neuer Materialien ermöglichen. Durch die Modularität des Simulationstools und die Integration der Teilmodelle aus verschiedenen Bereichen können Fahrzeuge im gesamten Entwicklungsprozess akustisch und schwingungstechnisch analysiert und verbessert werden. Damit können Gewicht, Bauraumnutzung, Entwicklungszeiten und Kosten verbessert werden. Diese ganzheitliche Betrachtung wird somit in einem vorgegebenen Kostenrahmen zu einer Gewichtssenkung und verbessertem Fahrkomfort führen.
Die Innovation besteht im Aufbau der Methodik und angepasster Entwicklungswerkzeuge für eine ganzheitliche Betrachtung von Maßnahmen zum Leichtbau sowie Schwingungs- und Akustikverhalten. Simulationsmodelle wurden abhängig von Anwendungsfällen und Frequenzbereich aus verschiedenen Submodellen aufgebaut, die auf analytischen Beschreibungen, numerischen Modellen und experimentellen Daten beruhen und verschiedene Bereiche verknüpfen. Die Gesamtmodellgröße wurde für eine Systemsimulation mit Signalverarbeitung im Zeitbereich und eine gleichzeitige Optimierung verschiedener Leichtbauansätze und vibro-akustischer Maßnahmen mit Verfahren zur Modellordnungsreduktion reduziert.
Im Rahmen des Vorhabens LeichtFahr wurden anhand eines Demonstrationsfahrzeuges Maßnahmen abgeleitet. Ein Beispiel sind aktive Motorlager, welche die durch den Motor erzeugten Vibrationen noch vor der Einleitung in die Karosserie durch aktive Gegenkräfte beeinflussen. Somit kann das Vibrationsverhalten in der Fahrgastzelle optimiert werden. Hierbei stellte der Einsatz der Regelsysteme einen integralen Bestandteil der aktiven Systeme dar. Diese Maßnahmen wurden im virtuellen Gesamtfahrzeug simuliert und im realen Fahrzeug experimentell nachgewiesen.