Lärm- und Vibrationsanalyse – eine Schritt-für-Schritt-Anleitung

Das Modell in unserem Beispiel wird von Grund auf anhand der Geometrien für Zahnräder und Wellen entworfen. Danach folgt das Gehäusedesign, einschließlich einer grundlegenden Topologieoptimierung für Steifigkeit und bestimmte Eigenfrequenzen. Wir folgen dem typischen Verfahren und optimierten die Mikrogeometrie der Zahnräder, um die NVH-Quelle zu reduzieren.

Der nächste Schritt ist die Simulation der Mehrkörperdynamik, um die kritischen Betriebsbedingungen in Bezug auf die Wellendynamik, den Körperschall und die Schallabstrahlung zu ermitteln. Sobald wir diese Bedingungen definiert haben, werden sie zum Ziel für die anschließende Optimierung. 

Wie können wir kritische Bedingungen identifizieren und verstehen? An dieser Stelle kommt die Ursachenanalyse ins Spiel. Auf der Grundlage der Ergebnisse können wir eine neue Optimierung des Antriebsstranggehäuses vornehmen und versuchen, den emittierten Lärm zu reduzieren. Das neue Design kann wiederum mit einer Mehrkörperdynamiksimulation und einer akustischen Analyse verifiziert werden

Sobald Ihr Design vorhanden ist, müssen Sie dieses in ein Mehrkörperdynamikprogramm wie AVL EXCITE™ M übertragen, um die vier Schritte der Ursachenanalyse durchzuführen und potenzielle NVH-Probleme zu erkennen, bevor sie auftreten. Eine der Aufgaben besteht darin, die Verformungsform der Resonanz zu analysieren. Die gegenseitige Beeinflussung von Resonanzen und Modenformen kann nur in einer Zeitbereichslösung richtig durchgeführt werden. EXCITE M führt diese Analyse im Zeitbereich durch und ermöglicht es den Ingenieuren, die Interaktion verschiedener Modenformen zu sehen. Dies ist besonders wichtig für elektrische Antriebsstränge, bei denen die Konstrukteure mit höheren Frequenzen umgehen müssen.

Der Prozess der Ursachenanalyse besteht darin, eine Reihe von Fragen zu beantworten.

Zunächst müssen Sie die folgende Frage beantworten: Welches sind die kritischen Betriebszustände, bei denen Sie die Ursachenanalyse anwenden wollen?

Das Ziel ist es, die Geräuschspitzen zu reduzieren. Zu diesem Zweck müssen Sie eine Analyse der Schallabstrahlungsformen (modale Deformationen) durchführen. In Abbildung 1 zeigt das Beispiel zwei Geschwindigkeiten, die Gegenstand dieser Analyse sind. Die Simulationen in Abbildung 1 veranschaulichen die gegenseitige Beeinflussung zwischen der Gehäuseschwingung und der Differenzialschwingung (Biegemodus). Im zweiten Fall werden das Wellensystem und das Torsionssystem dargestellt.

Fahren Sie mit der zweiten Frage zum ermittelten Betriebspunkt fort: Welcher Erregungspfad verursacht die Resonanz?

Dies erfordert eine numerische Übertragungspfadanalyse (Numerical Transfer Path Analysis NTPA). Im ersten Schritt haben wir gesehen, dass es Quereinflüsse gibt. Diese Schwingungen werden auf die Oberfläche des Gehäuses übertragen, die das Geräusch nach außen abstrahlt. Ziel ist es, herauszufinden, durch welches Lager die Erregung eingeleitet wird, um das Gehäuse anzuregen. In Abbildung 2 sehen Sie die visuelle Ausgabe, die EXCITE M für diese Analyse liefert. In unserem Beispiel übertragen die Lager 4 und 6 die stärksten Schwingungen auf das Gehäuse.

Diese Analyse mag trivial erscheinen, aber in komplexeren Systemen mit einer größeren Anzahl von Lagern ist sie essentiell.

Gehen Sie zum dritten Schritt der Ursachenanalyse über und fragen Sie sich: Welche Betriebseigenmode tritt bei den Resonanzfrequenzen auf?

Wir sehen uns nun das NVH-Verhalten in verschiedenen Betriebszuständen genauer an. Für die kritischen Frequenzen, die wir identifiziert haben, muss die kinetische Energie der Struktur analysiert werden. Ein niedriger Prozentsatz der kinetischen Energie deutet auf eine höhere Kopplung zwischen den Eigenmoden der einzelnen Körper hin. Ein höherer Prozentsatz ist charakteristisch für die ungekoppelten Eigenmoden eines Körpers.

Schließen Sie die Ursachenanalyse mit einer letzten Frage ab: Welcher Systemmode trägt am meisten zu den Resonanzschwingungen bei?

Durch die Beantwortung dieser Frage erhalten Sie den Systemmodenbeitragsfaktor des gelagerten Systems oder des einzelnen Körpers. Der wichtigste Teil dieses Schritts besteht darin, zu analysieren, wie sich die Körper bei den Problemfrequenzen verhalten. Sie sollten sehen, welche Körpermode zur kritischen Schwingung bei der gegebenen Frequenz und Geschwindigkeit beiträgt. Diese Informationen helfen Ihnen zu verstehen, wie Sie den Körper verändern können, um die Schwingungen zu reduzieren. Im vorliegenden Beispiel wurden die erhaltenen Ergebnisse für die strukturelle Optimierung des Gehäuses verwendet.

Mit einem tieferen Einblick in das, was passiert, wenn unser System belastet ist und läuft, können wir mit dem nächsten Schritt fortfahren - der Verbesserung unserer Konstruktion.

Im nachfolgenden Optimierungsprozess haben Sie die Wahl zwischen zwei Methoden - entweder Maximierung der Moden oder Minimierung der äquivalenten Strahlungsleistung. Das Ergebnis sollten Konstruktionsänderungen sein, die die Schwingungen unter den kritischen Betriebsbedingungen reduzieren.

Mit dem optimierten Gehäuse dieses Beispiels gehen wir zurück zu EXCITE M, um die Auswirkungen dieser Änderungen genau zu überprüfen. Das Ergebnis ist im vorliegenden Fall eine Reduktion der Spitzenwerte um etwa 5 db.

Klarin, B., Resch, T., Grozdanovic, I., and Pevec, D., "Root Cause Analysis and Structural Optimization of E-Drive Transmission," SAE Technical Paper 2020-01-1578, 2020: Root Cause Analysis and Structural Optimization of E-Drive Transmission