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Elektromobilität NVH: So werden E-Autos leise

| Autor / Redakteur: Gernot Goppelt / Sven Prawitz

Elektrische Antriebe bringen neue Anregungen ins Fahrzeug, doch gleichzeitig sinkt die Akzeptanz für störende Schwingungen. Ein Ortstermin bei Vibracoustic zeigt, wie die Bedeutung der NVH-Entwicklung wächst.

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Auf der Vierstempelanlage lassen sich alle vier Räder einzeln anregen, um das Schwingungsverhalten des Fahrzeugs zu analysieren.
Auf der Vierstempelanlage lassen sich alle vier Räder einzeln anregen, um das Schwingungsverhalten des Fahrzeugs zu analysieren.
(Bild: Picture Front/Vibracoustic )

Es gibt die verbreitete Meinung, dass elektrische Antriebe die Fahrzeugentwicklung vereinfachen. Zumindest bei der NVH-Entwicklung ist eher das Gegenteil der Fall. Sicher, kein Thema sind die berüchtigten Schwingungen 2. Ordnung bis etwa 200 Hz, die bei Reihen-Vierzylindermotoren auftreten können und per Körperschall durch die Fahrzeugstruktur wandern, um dann als Brummen oder Dröhnen hörbar zu werden.

Dafür erzeugen Elektromotoren bis teils weit über 10.000 Umdrehungen pro Minute ein breites Spektrum an hochfrequenten Schwingungen, die oft im subjektiv hochfrequenten Bereich auftreten, also in Form eines Pfeifens, Heulens oder Ähnlichem.

Kombinierte Antreibe erhöhen die Komplexität

Hinzu kommt, dass im Elektroauto der Verbrennungsmotor als maskierendes Element für Abroll- und Windgeräusche usw. wegfällt. Bei Plug-in-Hybriden sind zudem quasi drei Antriebe in einem zu beherrschen: der elektrische, der hybride und der verbrennungsmotorische.

Ein weiterer neuer Einfluss besteht in der Rekuperation bei elektrifizierten Antrieben, also dem Generatorbetrieb von E-Maschinen. Er bewirkt Kräfte in Zugrichtung, erzeugt sozusagen eine weitere Dimension, die bei einem konventionellen Antrieb kaum eine Rolle spielt.

Automatisiertes Fahren erhöht Anforderungen an NVH

Schließlich – auch wenn es noch weit weg scheint – werden automatisierte Fahrzeuge die NVH-Messlatte weiter anheben. Was ein aktiver Fahrer vielleicht noch als Feedback vom Fahrzeug wahrnimmt, ist für passive Passagiere schlicht störend.

Vibracoustic arbeitet nach eigener Aussage mit fast allen großen OEMs zusammen, um die gesamte Bandbreite mehr oder weniger elektrifizierter Fahrzeuge auf ihre NVH-Eigenschaften zu untersuchen – hinsichtlich Antrieb ebenso wie beim Fahrwerk. In Weinheim hat das Unternehmen eine komplette Entwicklungs- und Prüfkette versammelt: Es beginnt bei der Simulation einschließlich FE-Berechnungen; ein großer Teil der zu erwartenden Schwingungen im Fahrzeug lässt sich bereits im FE-Modell ermitteln, seien es Anregungen aus dem Antrieb oder aus der Fahrbahn.

Rollenprüfstand und Vier-Stempel-Anlage

Für die Evaluierung am Fahrzeug stehen unter anderem ein Rollenprüfstand und eine Vier-Stempel-Anlage zu Verfügung. Letztere dient dazu, vertikale Fahrbahneinflüsse auf alle vier Räder zu simulieren, während auf dem Rollenprüfstand – im schalltoten Raum – die Antriebseinflüsse geprüft werden. Durch das Anbringen einer Schlagleiste auf einer Rolle können auch Fahrbahnschläge simuliert werden, denn Anregungen aus der Fahrbahn können sich auch auf die Lagerung der Antriebe auswirken.

Die Funktion der beiden Prüfstände demonstrierte Vibracoustic beim Ortstermin in Weinheim mit dem Benteler Electric Drive System, einem Buggy-artigen Gefährt, das als skalierbare und vorvalidierte Plattform für Elektrofahrzeuge dient. Die Kooperationspartner Benteler, Vibracoustic und Bosch sehen hier einen großen Bedarf. Viele OEMs stünden zunehmend vor der Herausforderung, schnell Elektrofahrzeuge in den Markt einzuführen, die hinsichtlich NVH vom Start weg funktionieren. Benteler bringt die Kompetenz bei Fahrwerks- und Strukturteilen ein, Bosch liefert die E-Motoren und Vibracoustic die Expertise für alle NVH-Komponenten, darunter Buchsen, Hilfsrahmenlager, Federbeinstützlager, Motorlager und Komponenten aus mikrozellulären Polyurethan (MCU) sowie Luftfedern.

Aufbau von E-Autos ist akustisches Neuland

Für viele OEMs sind die neuen und teils komplexeren Körper- und Luftschallquellen elektrischer Antriebe Neuland. Ungewohnt – neben den E-Motoren selbst – ist zum Beispiel auch die Lagerung von E-Motoren auf einem elastisch gelagerten Fahrschemel an der Hinterachse. Das hat zur Folge, dass sich Motorlager und Fahrschemellager gegenseitig beeinflussen und gemeinsam betrachtet werden müssen. Ein weiteres Beispiel: Durch die veränderte Lage des Antriebs sowie die der Batterie im Unterboden lassen sich Hinterachskonstruktionen nicht unverändert aus konventionellen Fahrzeugen übernehmen.

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Das gilt auch für die Lager, in der Regel Hybridkonstruktionen aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff und dämpfenden Elastomeren. Im Jahr 2019 hat Vibracoustic intensiv in die Werkstoffentwicklung in Weinheim investiert: Im Prototypenbau werden neue Kautschuk- und Kunststoff-Materialien entwickelt. Naturkautschuk ist laut dem Unternehmen nach wie vor unverzichtbar für Motor- und Fahrwerklager, Luftfedern, Tilger, Isolatoren und Dämpfer. Der Vorteil des Materials: Es ist unter hohen Lasten extrem verformbar, kehrt aber immer wieder in seine Ursprungsform zurück.

Vielfalt an Kautschukmaterialien

Synthetischer Kautschuk kommt dagegen zum Einsatz, wenn Temperaturstabilität gefordert ist, etwa bei Abgasanlagenaufhängungen; Silikonkautschuk ist die Wahl bei großer Hitze wie in Motorlagern. Polyurethan eignet sich besonders für enge Bauräume, Chloroprenkautschuk für Luftfedern. Ein weiteres Entwicklungsfeld sind faserverstärkte Thermokunststoffe, die deutlich leichter sind als Gummi-Metall-Lager.

Rainer Elenz, verantwortlich für die Prüfung von Prototypen, gab während des Besuchs einen Einblick in das Testing von Lagern im Hochfrequenz-Labor. Auf einem Shaker war exemplarisch ein Motorlager für E-Motoren eingespannt, das er bei kontinuierlich ansteigenden Frequenzen auf seine dynamische Steifigkeit prüfte. Diese dynamische Steifigkeit resultiert aus oszillieren den Anregungen, die E-Motoren breitbandig und bis in hohe Frequenzen erzeugen.

Dynamische Steifigkeiten im Gummi

Elenz ermittelt auf dem Prüfstand routinemäßig Frequenzen, bei denen dynamische Verhärtungen auftreten, die wiederum die Übertragung von Körperschall begünstigen. Um diesen Verhärtungen entgegenzuwirken, lassen sich beispielsweise kleine Metallplatten in das Gummimaterial einlassen, die punktuelle dynamische Steifigkeiten vermindern. Das Beispiel zeigt: Die Elektrifizierung bedeutet für Vibracoustic eher mehr als weniger Arbeit, denn das Spektrum an Schwingungen wird breiter.

Um die Elektrifizierung von Fahrzeugplattformen zu beschleunigen, tun sich Zulieferer verstärkt als Systempartner zusammen. Im Januar gab Benteler bekannt, mit Sony zu kooperieren, bisher eigentlich nur als Infotainment-Anbieter ein Begriff. Am Prototyp „Vision-S“ sind laut Sony auch die Zulieferer Magna Steyr sowie Continental und ZF beteiligt. Vibracoustic sieht sich jedenfalls gut gerüstet, Kooperationen dieser neuen Art mit seiner NHV-Expertise zu begleiten.

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