Analyse der Übertragungswege von Innengeräuschen bei Radnabenmotoren

Als Entwicklerin von Radnabenmotoren muss Elaphe Propulsion Technologies Ltd. gewährleisten, dass ihre Antriebsstränge keine übermäßigen Vibrationen erzeugen, die zu störenden Körperschallgeräuschen führen. Da die Fahrzeugaufhängung typischerweise nicht dazu gedacht ist, auch als Schwingungsisolierung für den Motor zu dienen, fehlt es an Kenntnissen über spezifische diesbezügliche Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf höhere Frequenzen, wie sie durch einen elektrischen Antriebsstrang angeregt werden.

Elaphe, ist ein Unternehmen mit Sitz in der slowenischen Hauptstadt Ljubljana, das sich der Innovation, Forschung und Entwicklung im Bereich der Radnaben- oder In-Wheel-Motoren für Elektrofahrzeuge widmet. Elaphe hat mehrere Generationen von Prototypen solcher Motoren produziert, die in verschiedenen Fahrzeugen getestet werden. Diese Fahrzeuge und Motoren haben als Showcases für Kunden gedient und entscheidende Erkenntnisse für die Erfüllung der Normen und Vorschriften der Automobilindustrie geliefert. So ist Elaphe nun auf dem besten Weg, die Serienproduktionsanforderungen von Tier-1-Zulieferern und OEMs zu erfüllen.

Abb. 1. Sensormontage in der Umgebung von Motor- und Aufhängungskomponenten

Die Kontrolle der Motorvibration ist sehr wichtig, da sie Körperschall verursacht, der den Fahrgastkomfort beeinträchtigen kann. Bei der Entwicklung von Motoren mit niedrigem Vibrationsniveau ist eine gewisse Schwingungsisolierung erforderlich. Um zu verstehen, was über das Fahrzeugdesign möglich ist und was auf der Motorebene gelöst werden muss, wurden an Versuchsfahrzeugen während des Betriebs Übertragungsweganalysen durchgeführt.

Elaphe benutzte seine Versuchsfahrzeuge, um zu untersuchen, welche Rolle die Aufhängungssysteme spielen, und herauszufinden, wie Vibrationen von Radnabenmotoren auf das Fahrzeug übertragen werden. Die Ergebnisse werden sowohl für die Weiterentwicklung der Produkte als auch in der Kommunikation mit den Kunden genutzt, deren Gesamterfahrung in einigen Fällen nicht den Erwartungen entsprach.

Für die Tests wurden mit verschiedenen Sensoren (Beschleunigungssensoren, Mikrofone, von Menschen gesteuerte Eingänge) verbundene Dewesoft-Sirius-Slices und Fahrzeug-CAN verwendet. Eine Slice wurde dabei für laufende NVH-Messungen genutzt, die an mehr als einem Dutzend eigenen und Kundenfahrzeugen zur Bewertung der NVH-Leistung durchgeführt wurden. Für weiterführende Tests wurden in einem einzelnen Versuchsfahrzeug, an dem Änderungen an der Abstimmung des Antriebsstrangs und der Aufhängung vorgenommen worden waren, drei synchronisierte batteriebetriebene Sirius-Slices eingesetzt.

Abb. 2. Drei über ein Akkupack versorgte Sirius-Einheiten

In der Regel wurde eine Sirius-Slice für laufende NVH-Messungen verwendet, die an mehr als einem Dutzend eigenen und Kundenfahrzeugen zur Bewertung der NVH-Leistung durchgeführt wurden. Für weiterführende Tests wurden in einem einzelnen Versuchsfahrzeug, an dem Änderungen an der Abstimmung des Antriebsstrangs und der Aufhängung vorgenommen worden waren, drei synchronisierte batteriebetriebene Sirius-Slices eingesetzt.

Alle Messgeräte mussten sicher und zuverlässig im Fahrzeug montiert und angeschlossen werden, da die Messungen während der Fahrt stattfanden. Dafür mussten mehrere Sensoren unter dem Fahrwerk sowie an den nicht gefederten Masse- und Aufhängungskomponenten montiert und das Erfassungssystem unabhängig vom Bordnetz mit Strom versorgt werden. Obwohl das Dewesoft-System auch direkt aus dem Niederspannungsnetz des Fahrzeugs versorgt werden kann, wurde für die empfindlichsten Messungen eine Dewesoft-Batteriequelle verwendet, um alle möglicherweise von Fahrzeugstromnetzen niedriger Qualität oder tragbaren Stromrichtern verursachten Leitungsgeräusche zu vermeiden.

Abb. 3. Synchronisierte Erfassung mit mehreren Sirius-Einheiten; Beschleunigungssensoren, Mikrofone, Trigger, CAN und Echtzeit-Mathematikkanäle

Während der Testfahrt wurden Messungen der Geräusch- und Vibrationspegel an den Radnabenmotoren, am Fahrgestell und in der Fahrgastzelle aufgezeichnet. Die gesammelten Daten wurden nachverarbeitet, um das Ausmaß und die Spektren der Eigenschwingungen, die das Fahrzeug durchdrangen und Innengeräusche verursachten, zu bestimmen.

Elaphe hat nun ein viel besseres Verständnis der problematischsten Frequenzen und der Punkte, die auf Motorebene angegangen werden müssen.  Darüber hinaus wurden Problemstellen an den Fahrzeugen erkannt, für die Lösungen gefunden werden müssen, um die Kundenerfahrung zu verbessern. Die Messungen ermöglichten es Elaphe, Leitlinien für die Lösung der NVH-Probleme zu entwickeln, von denen viele inzwischen bereits bewältigt werden konnten. An den restlichen wird intensiv gearbeitet.

Elaphe hat bedeutende Änderungen an den Motorsteuerungsalgorithmen vorgenommen und arbeitet inzwischen mit Unternehmen zusammen, die auf die Entwicklung von Aufhängungssystemen spezialisiert sind. Die Messungen wurden außerdem zur Fortschrittsbewertung verwendet, und es ist Elaphe gelungen, den Anteil des Antriebsstrangs am Innengeräusch praktisch komplett zu eliminieren.

Der allgemeine Test gab den Verantwortlichen Vertrauen in die Qualität ihrer Produkte und einen Trumpf für die Kommunikation mit den Kunden, da sie die Machbarkeit ihrer Lösungen belegen und alle bereits durchgeführten Verbesserungen präsentieren konnten. Darüber hinaus ermöglichte das neu erlangte Know-how auf Systemebene Elaphe die Verbesserung ihrer Positionierung als Entwicklungspartner im In-Wheel-Markt.

Abb. 4. Matrix der Korrelation zwischen Schwingungen an verschiedenen Stellen/Komponenten des Fahrzeugs und Innengeräuschen in Bezug auf die Geräuschfrequenz.

Eine schnelle Lernkurve, das Vermögen, Geräte einzusetzen, die uns von anderen Messungen vertraut sind, und die Unterstützung von Dewesoft, vor allem durch die Bereitstellung zusätzlicher Ausrüstung für die anspruchsvollsten Messungen, haben es uns ermöglicht, die kritischen Betriebsbedingungen zu identifizieren und zu charakterisieren“, sagt Martin Strojnik, Entwicklungsleiter bei Elaphe. „Auf dieser Grundlage ist Elaphe in der Lage gewesen, eine effiziente Strategie zur NVH-Reduktion und Überwachung des Fortschritts zu entwickeln.

Dieser Fortschritt ist eine der Voraussetzungen für die Produktakzeptanz im Automobilmarkt. Er führte nicht nur zu Änderungen bei der Motorkonstruktion, sondern auch bei der Leistungselektronik, und schärfte zudem das Bewusstsein für ein verbessertes Fahrzeugdesign und die Notwendigkeit weiterer Forschung auf der Fahrzeugebene.