Integrierte Simulationswerkzeuge zur akustischen Bewertung

Matthias Kurch1, Jonas Fischer2, Christian Schafer31 Schaeffler Technologies AG & Co. KG, 91074 Herzogenaurach, Deutschland, Email: matthias.kurch@schaeffler.com2 Schaeffler Technologies AG & Co. KG, 91074 Herzogenaurach, Deutschland, Email: jonas.fischer@schaeffler.com

3 Schaeffler Technologies AG & Co. KG, 91074 Herzogenaurach, Deutschland, Email: christian.schaefer@schaeffler.com

Einleitung

Elektrische Radnabenantriebe besitzen Potenzial hin-sichtlich der Fahrdynamik und neuer Raumkonzepte[4, 3]. Durch die Verlegung der Antriebe in die Radersind neue Karrosseriebauformen moglich, die eine ver-besserte Raumausnutzung bieten. Beispielsweise kanndie gleiche Anzahl Personen mit kleineren Fahrzeu-gen befordert werden und so die knappen Parkflachenin den Innenstadten besser genutzt werden. Zusatzlichkann durch die Nutzung radselektiver Traktionsantrie-be und eines intelligenten Ansteuerungskonzeptes dieManovrierfahigkeit eines Fahrzeugs verbessert werden.Manover wie das Drehen auf der Stelle oder seitlichesEinparken sind so realisierbar.Neben den Vorteilen bringen die Radnabenantriebe auchverschiedene Herausforderungen mit, denen sich die Ent-wickler stellen mussen. Aus akustischer Sicht sind es vorallem die hochfrequenten und tonalen Gerausche [5] derelektrischen Antriebe. Das menschliche Gehor ist im Fre-quenzbereich 2–5 kHz besonders empfindlich [6], so dassdiese Gerausche vom Fahrer als unangenehm empfundenwerden.Wahrend fur konventionelle Antriebe auf eine breiteWerkzeugkette zur gezielten Beeinflussung verschiedenerakustischer Phanomene zuruckgegriffen werden kann, be-finden sich im Vergleich dazu die Werkzeugketten furFahrzeuge mit elektrischen Antrieben noch im Aufbau.Diese Arbeit zeigt den Aufbau eines solchen integriertenSimulationswerkzeuges zur akustischen Bewertung elek-trischer Antriebe basierend auf der Schaeffler Simulati-onsplattform Simpla. Dazu werden der RadnabenantriebE-Wheel Drive und Simpla in den nachsten zwei Ab-schnitten vorgestellt. Im Abschnitt Modellaufbau und Si-mulation wird die Modellierung beschrieben und es wer-den die Ergebnisse der Simulation diskutiert. Im letztenAbschnitt erfolgt die Zusammenfassung und es wird einAusblick gegeben.

Beispielapplikation E-Wheel Drive

Die Entwicklung des integrierten Simulationswerkzeugeszur akustischen Bewertung wird am Beispiel des Schaeff-ler Radnabenantriebs E-Wheel Drive Beta gezeigt. Beidiesem hochintegrierten Radnabenantrieb der zweitenGeneration sind samtliche fur Antrieb, Verzogerung undFahrsicherheit notwendigen Komponenten – wie Elektro-motor, Leistungselektronik und Controller, Bremse sowieKuhlung – im Inneren der Felge platziert (Abbildung 1).Fur die akustische Analyse eines Radnabenantriebesmussen mehrere physikalische Phanomene gleichzeitig si-

muliert werden. Solche Aufgabenstellungen werden alsgekoppeltes Feldproblem oder Multiphysics-Problem be-zeichnet. Die Magnetkrafte aus dem Elektromotor, wel-che durch Nutrasten und Momentenwelligkeit erzeugtwerden, stehen in Wechselwirkung mit der mechanischenStruktur. Neben den strukturdynamischen Eigenschaf-

Abbildung 1: Radnabenantrieb mit (v. l.) Leistungselektro-nik und Controller, Rotor, Stator, Felge mit Reifen

ten wie Resonanzen sind eine nichtlineare Lagersteifig-keit sowie Rotorexzentrizitat Eigenschaften des Antriebs.Die Anregung durch die Magnetkrafte und die Weiterlei-tung in der mechanischen Struktur resultieren in einerKorperschallubertragung ins Fahrwerk und schließlich ineiner Schallabstrahlung in den Innenraum.Traditionell steht fur jedes physikalisches Phanomeneine spezialisierte Simulationslosungen zur Verfugung.Fur die Magnetkreisauslegung werden transiente 2-D-Finite-Elemente-Simulationen eingesetzt. Fur die Ana-lyse der mechanischen Effekte haben sich die 3-D-FE-Simulation und die Mehrkorpersimulation etabliert. Furdie Korper- und Luftschallsimulation werden ebenfallsFE-Simulationen eingesetzt. Fur eine effiziente Produkt-entwicklung mussen diese Softwarepakete zu einer Werk-zeugkette kombiniert werden, so dass ein integriertes Si-mulationswerkzeug zur akustischen Bewertung entsteht.Solche integrierten Werkzeuge konnen den Produktent-wicklungsprozess akustisch kritischer Komponenten un-terstutzen, um akustisch auffallige Bauteile bereits beider Auslegung zu identifizieren. So konnen Abhilfemaß-nahmen vor der Verfugbarkeit erster Prototypen einge-leitet werden.

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Simulationsplattform

In diesem Beitrag wird die Schaeffler Simulationsplatt-form Simpla zum Aufbau eines integrierten Simulati-onswerkzeuges zur akustischen Bewertung verwendet. Siewurde entwickelt, um einen moglichst geringen Aufwandbei der Modellerstellung und der Ergebnisauswertung zuerzielen. Dies wird durch die Automatisierung wieder-kehrender Prozessschritte erreicht. Die Simulationsplatt-form nimmt dafur die verschiedenen Modelldefinitionenauf und erzeugt automatisch Simulationsmodelle fur ver-schiedene Solver. In dieser Arbeit werden die SAMCEFSolver Mecano, Dynam und Repdyn fur die transiente,modale bzw. harmonische Analyse verwendet.Ein schematischer Uberblick der eingesetzten Werkzeu-ge und ihr Zusammenspiel als integriertes Simulations-werkzeug ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Simula-

Abbildung 2: Simpla-basierte Werkzeugkette

tionsplattform verfugt uber Schnittstellen zu den beiSchaeffler fur den Entwicklungsprozess etablierten CAE-Werkzeugen. Bearinx [1] wird zum Beispiel fur dieAntriebsstrang- und Lagerauslegung verwendet. Die ela-stischen Komponenten wie Gehause, Stator und Rotorwerden mit Abaqus/CAE modelliert. Das FE-Modellkann in Simpla importiert werden. Mit ihm wird eine ela-stische SAMCEF-Substruktur mittels Craig-Bampton-Reduktion [2] erstellt.Die Berechnung der Magnetkrafte des Elektromo-tors erfolgt durch eine transiente 2-D-Finite-Elemente-Simulation mit FEMAG. Die berechneten Kraftdich-ten an jedem FE-Knoten werden zu resultieren Mo-menten, Tagential- und Radialkraften an jedem Stator-zahn zusammengefasst. Fur Simulationen im Frequenz-bereich mussen die Lastdaten zusatzlich mittels Fourier-Transformation in Anregungsspektren umgewandelt wer-den. Der Import in Simpla kann mittels formatierter Da-teien erfolgen.Mit den genannten Eigenschaften verfugt Simpla uberdie wesentlichen Vorraussetzungen eines integrierten Si-mulationswerkzeuges. Die Anwendbarkeit des Werkzeu-ges fur Korperschallanalysen soll im nachsten Abschnittam Beispiel des E-Wheel Drives Beta gezeigt werden.

Modellaufbau und Simulation

Fur die Durchfuhrung der numerischen Korperschall-analyse wird ein typischer Laborversuch in der Simulati-on nachgestellt. Dabei wird der Radnabeantrieb mit derFahrzeuganbindung auf einen starren Bock geschraubtund ohne Abtriebslast die Gehausebeschleunigungen ge-messen. Diese werden als Antwortspektrum oder Wasser-falldiagramm ausgewertet.Eine effiziente numerische Methode fur solche Untersu-chungen ist die harmonische Analyse. Es wird dabei an-genommen, dass die Anregung und Systemantwort har-monsich sind. Durch diesen Ansatz muss lediglich ein li-neares Gleichungssystem in Abhangigkeit von der Erre-gerkreisfrequenz anstelle der Schwingungsdifferentialglei-chung gelost werden. Wenn dieser Ansatz mit einer mo-dalen Reduktion des Gleichungssystems kombiniert wird,ergibt sich ein zusatzlicher Effizienzgewinn. Der Solverfur die harmonische Analyse in Simpla/SAMCEF istRepdyn.Fur die harmonische Analyse wurde das Modell des E-Wheel Drives wie folgt aufgebaut. Die elastischen Bau-teile wurden zu vier Substrukturen, welche in Abbil-dung 3 dargestellt sind, zusammengefasst. Am linken

Abbildung 3: Modell mit (v. l.) Statorplatte, Außenring,Rotor und Stator mit Gehause

Bildrand befindet sich die Statorplatte mit Radzapfen.Rechts daneben ist der Außenring des Radlagers abge-bildet. Die beiden ubrigen Substrukturen in der Sequenzsind der Rotor mit Magneten und der Stator inklusi-ve Kuhlgehause. Die Substrukturen werden durch starreVerbindungen zwischen den Retained Nodes, welche inAbbildung 3 durch blaue Punkte markiert sind, zusam-mengehalten. Die Lagerung des Modells erfolgt durch dieFixierung der Anbindungspunkte zum Fahrzeug. Die aufder Ruckseite der Statorplatte angebrachte Leistungs-elektronik und die Controller wurden im vorliegendenModell nicht berucksichtigt. Der Einfluss dieser Bautei-le auf das vibroakustische Verhalten des Antriebs istunstrittig. Fur die Darstellung des integrierten Simu-lationswerkzeuges ergibt sich hierdurch kein Mehrwert.Die Steifigkeit des Radlagers wird durch ein lineares Fe-derelement mit sechs Freiheitsgraden beschrieben. Diedafur benotigte 6×6 Steifigkeitsmatrix wurde fur defi-nierte Lastfalle mit Bearinx berechnet.Mit dem im letzten Absatz beschriebenen Modell wurdezuerst eine Modalanalyse durchgefuhrt. Aus den ermittel-ten Eigenfrequenzen und -formen wird ein recheneffizien-

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tes modales Modell fur die harmonsiche Analyse erzeugt.Als Lasten werden konzentrierte Momente, Tagential-und Radialkrafte an jedem Statorzahn aufgebracht. DieKrafte und Momente stammen aus einer transienten Si-mulation mit FEMAG. Sie wurden fur diese Analyse auf-bereitet und werden als komplexe Spektren aufgebracht.Die Auswertung der Ergebnisse der harmonischen Simu-lation erfolgt als Antwortspektren der Beschleunigung aneinem Gehausepunkt, welcher in Abbildung 4 rot mar-kiert ist. Fur den Betriebspunkt mit 100 U/min Dreh-

Abbildung 4: Position des Auswertepunktes

zahl und 100 Nm Abtriebsmoment ist das Anwortspek-trum am Auswertepunkt in Abbildung 5 dargestellt. Ins-gesamt fallt auf, dass in den Beschleunigung der x-, y-und z-Richtung, ux, uy bzw. uz die Ordnungen des Elek-tromotors erwartungsgemaß gut zu erkennen sind. Einbesonderes Augenmerk soll in der Darstellung auf denFrequenzbereich unterhalb von 200 Hz und die axiale Be-schleunigung uz gelegt werden. Das erste deutliche Maxi-mum in diesem Bereich wird durch eine Ordnung des Mo-tors verursacht. Die dann folgende kleinere Spitze ist auf

Abbildung 5: Beschleunigungsspektrum am Auswertepunkt

die Kippmode zuruckzufuhren. Bei dieser neigt sich dergesamte Antrieb auf der Einspannung. Das nachste Ma-ximum im Frequenzbereich wird durch die Uberlagerungeiner Resonanz mit einer Ordnung verursacht. Diese trittim Prufstand auf und stellt in dieser Form fur die spatereAnwendung kein Problem dar. Sie ist dennoch ein gutesBeispiel fur vibroakustische Zustanden, die durch Simu-lationen identifiziert und durch Gegenmaßnahmen ver-mieden werden konnen.

Zusammenfassung und Ausblick

Die vibroakustische Analyse des E-Wheel Drives ist eingekoppeltes Feldproblem (Multiphysics). Hierfur ist derAufbau eines integrierten Simulationswerkzeuges not-wendig. In der vorliegenden Veroffentlichung konnte dasPotential der Simulationsplattform Simpla im Zusam-menspiel mit Abaqus/CAE, Bearinx und FEMAG ge-zeigt werden. Damit werden Simulationen ermoglicht,welche das Verstandnis der Wechselwirkungen in derfruhen Entwicklungsphase steigern und so eine Sensibili-sierung fur mogliche akustische Risiken bewirkt. So wer-den Entwickler befahigt die richtigen Entscheidungen zutreffen.Die zukunftigen Entwicklungen werden sich auf die Ver-besserung und Erweiterung der Werkzeugkette konzen-trieren. Hier stehen die Simpla-Anbindung an Schall-abstrahlungssimulationen und die Verbesserung des Ma-gnetkraftmodells im Fokus der Arbeiten.

Literatur

[1] BEARINX, URL:www.schaeffler.com/publication_bearinx

[2] Craig, R.; Bampton, M.: Coupling of Substructuresfor Dynamic Analysis. AIAA Journal Vol. 12. (1968),1313-1319

[3] Fischer, R.: Flinker in der Stadt – Radnabenantriebevon Schaeffler. 10. Schaeffler Kolloquium (2014), 441-451

[4] Gombert, B.; Fischer, R.; Heinrich, W.: ElektrischeRadnabenmotoren, Konstruktionskriterien und Fahr-zeugintegration. ATZelektronik 5. (2010), 8-14

[5] Kuppers, T.: Results of a structured developmentprocess for electric vehicle target sounds. AachenerAkustik Kolloquium (2012), 63-71

[6] Moser, M.: Technische Akustik, Springer-Verlag, Ber-lin/Heidelberg, 2012

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