Der Wandel der Automobilindustrie hin zu Elektrofahrzeugen (EVs) hat eine Reihe neuer Herausforderungen mit sich gebracht, insbesondere im Bereich von Geräusch, Vibration und Härte (NVH). Unter diesen spielt das Fahrbahnlärm-Brummen – besonders im niederfrequenten Bereich unter 50 Hz – eine zentrale Rolle, da es den Fahrgastkomfort erheblich beeinträchtigt. Eine kürzlich in der Zeitschrift Noise and Vibration Control veröffentlichte Studie untersucht die Mechanismen hinter einem spezifischen 31-Hz-Brummen in einem elektrischen SUV und bietet innovative Lösungen, die die Art und Weise, wie Automobilhersteller die NVH-Entwicklung angehen, verändern könnten.
Die Untersuchung, die von Huang Yinglai, Zhao Mingbin und Shan Xile vom Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Co., Ltd. geleitet wurde, konzentriert sich auf ein zweiboxiges Schiebetür-elektrisches SUV, das bei konstanter Geschwindigkeit ein signifikantes niederfrequentes Brummen in der Vorderreihe aufwies. Was diese Studie auszeichnet, ist ihre systematische Untersuchung von fahrbahninduziertem Brummen – ein Thema, das im Vergleich zu motorbedingtem Brummen in herkömmlichen Fahrzeugen weniger Beachtung gefunden hat.
Das Problem: Ein anhaltendes 31-Hz-Brummen
Während der Tests beobachtete das Team, dass das Fahrzeug bei einer konstanten Geschwindigkeit von 60 km/h auf unebenem Untergrund in der Vorderreihe ein ausgeprägtes niederfrequentes Geräusch mit einem Peak bei 31 Hz aufwies, der 45 dB(A) erreichte. Bemerkenswert ist, dass die Rückreihe relativ unbeeinflusst blieb – ein Detail, das später bei der Identifizierung der Ursache von entscheidender Bedeutung sein sollte.
Erste Untersuchungen schlossen reifenbezogene Probleme aus. Trotz der Tatsache, dass EV-Reifen härter, breiter und flacher designed sind, um niedrigen Rollwiderstand und Lastanforderungen gerecht zu werden – Faktoren, die in der Regel Fahrbahnlärm verstärken – zeigte die Reifenmodalanalyse keine Korrelation zwischen den strukturellen Eigenschaften des Reifens und dem 31-Hz-Peak. Tests zu den Reifenvibrationstransferfunktionen von der Lauffläche bis zur Radachsträgerstelle ergaben, dass die X- und Z-Richtungen keine passenden Peaks bei 31 Hz aufwiesen, was den Reifen als primäre Quelle ausschloss.
Verfolgung des Vibrationspfads: Federsystem-Kraftübertragbarkeit
Die Untersuchung konzentrierte sich dann auf das Federsystem des Fahrzeugs – ein Schlüsselkomponente bei der Übertragung von fahrbahninduzierten Vibrationen in die Fahrgastzelle. Die Forscher führten das Konzept der Federsystem-Kraftübertragbarkeit als entscheidende Metrik ein, um zu bewerten, wie effektiv Vibrationen durch das Federsystem übertragen werden.
Durch die Erstellung eines detaillierten Modells des Hinterachs-Federsystems analysierte das Team die Kraftübertragung von dem Rad zum Fahrzeugaufbau durch Buchsen. Das Modell berücksichtigte die Vibrationsgeschwindigkeiten auf beiden Seiten der Buchsen (Federseite und Karosserieseite) sowie die auf sie wirkenden Kräfte. Diese Analyse ergab einen signifikanten Peak in der Kraftübertragbarkeit des Federsystems bei 31 Hz, der perfekt mit der beobachteten Brummfrequenz übereinstimmte.
Weitere ModalTests des Hinterachs-Federsystems deckten einen Starrkörpermodus bei 30 Hz im RY-Freiheitsgrad (Rotation um die Y-Achse) auf. Diese Modalfrequenz erwies sich als Hauptursache für die erhöhte Kraftübertragbarkeit bei 31 Hz. Die Analyse des Teams zeigte, dass die Steifigkeit der hinteren Lagerung des Motors und der hinteren Buchsen des Unterschassis einen erheblichen Einfluss auf diese RY-Modalfrequenz hatten.
Die Rolle der Karosseriestruktur und der akustisch-mechanischen Kopplung
Während das Federsystem eine zentrale Rolle bei der Übertragung von Vibrationen spielte, war die Reaktion der Fahrzeugkarosserie auf diese Vibrationen ebenso entscheidend. Die Forscher führten Karosserie-Lärm-Transferfunktionstests durch, bei denen verschiedene Federmontagepunkte angeregt und das resultierende Geräusch in der Fahrgastzelle gemessen wurde.
Die Ergebnisse waren bemerkenswert: Die Montagepunkte des hinteren Unterschassis wiesen eine hohe Lärm-Transferfunktion auf, besonders bei Anregung in Z-Richtung, mit Amplituden von bis zu 60 dB im Bereich von 30-40 Hz. Dies deutete darauf hin, dass die Fahrzeugkarosserie überempfindlich gegenüber Z-Richtungs-Vibrationen an den hinteren Unterschassis-Lagern war, was das Geräusch in der Fahrgastzelle verstärkte.
Eine tiefere Untersuchung der Vibrations- und Lärm-Transferfunktionen der Heckklappe ergab einen deutlichen Peak um 30 Hz, was darauf hindeutete, dass die modalen Eigenschaften der Heckklappe eng mit dem Brummproblem verbunden waren. Dies führte das Team dazu, die komplexe Wechselwirkung zwischen der Heckklappe und der inneren akustischen Kavität des Fahrzeugs – ein Phänomen, das als akustisch-mechanische Kopplung bekannt ist – zu untersuchen.
Entschlüsselung des akustisch-mechanischen Kopplungsmechanismus
Die Forscher entwickelten ein theoretisches Modell, um die Kopplung zwischen der Heckklappe und der inneren akustischen Kavität zu analysieren. Indem sie die Heckklappe als einen Starrkörper behandelten, der in x-Richtung vibriert, und andere Grenzen als starr, leiteten sie Gleichungen ab, die die Schalldruckverteilung und die Partikelgeschwindigkeit innerhalb der Kavität regeln.
Ihre Erkenntnisse offenbarten einen entscheidenden Einblick: Das 31-Hz-Brummen war das Ergebnis einer Impedanzanpassung zwischen der ersten Modalfrequenz der Heckklappe und der akustischen Kavität. Wenn die Vibrationsimpedanz der Heckklappe mit der akustischen Impedanz der Kavität übereinstimmt, tritt Resonanz auf, die eine neue Eigenfrequenz schafft, die nicht existieren würde, wenn die Heckklappe eine starre Grenze wäre. Dies erklärt, warum zweiboxige Fahrzeuge mit ihrer spezifischen Heckklappenkonstruktion besonders anfällig für solches Brummen sind.
Das Modell half auch, die Vorne-Hinten-Unterschiede in der Geräuschwahrnehmung zu erklären. Bei 31 Hz erzeugt das stehende Wellenmuster in der Fahrgastzelle ein Druckbauch in der Nähe der Kopfstützen der Vorderreihe und einen Knoten in der Nähe der Kopfstützen der Rückreihe, was zu dem ausgeprägten Brummen in der Vorderreihe führt.
Innovative Lösungen: Von der Theorie zur Praxis
Mit einem umfassenden Verständnis des Brummmechanismus schlug das Forschungsteam eine vielseitige Optimierungsstrategie vor:
- Anpassung des Starrkörpermodus des Federsystems: Durch Erhöhung der Steifigkeit der hinteren Lagerung des Motors und der hinteren Buchsen des Unterschassis konnte das Team die RY-Modalfrequenz erfolgreich von 30 Hz auf über 35 Hz verschieben. Diese Anpassung reduzierte die Kraftübertragbarkeit des Federsystems im Bereich von 28-35 Hz erheblich und unterbrach den primären Vibrationsübertragungspfad.
- Kontrolle der Karosserie-Modalitäten: Zielgerichtete Modifikationen der Fahrzeugkarosseriestruktur zielten darauf ab, ihre Empfindlichkeit gegenüber Z-Richtungs-Vibrationen an den hinteren Unterschassis-Lagern zu verringern. Dazu gehörte eine strategische Verstärkung, um die Eigenfrequenzen der Karosserie zu verändern und so eine Resonanz mit den federsysteminduzierten Vibrationen zu vermeiden.
- Optimierung der Heckklappen-Einschränkungen: Das Team installierte spezielle Schläuche in den linken und rechten Dichtungen der Heckklappe und erhöhte die Pressung der Heckklappen-Pufferblöcke. Diese Maßnahmen reduzierten die Amplitude der Heckklappe effektiv und minderten ihre Rolle bei der Anregung der akustischen Kavität.
Die Ergebnisse dieser Optimierungen waren beeindruckend. Das 31-Hz-Brummen wurde von 45 dB(A) auf 35 dB(A) reduziert, und das Gesamtschalldruckniveau des Fahrbahnlärms sank von 65,5 dB(A) auf 63,7 dB(A). Subjektive Bewertungen bestätigten die Beseitigung des störenden Brummgefühls, was einen signifikanten Fortschritt im Fahrgastkomfort darstellt.
Breitere Auswirkungen für die NVH-Entwicklung von Elektrofahrzeugen
Die Erkenntnisse dieser Studie haben weitreichende Auswirkungen auf die Automobilindustrie, insbesondere da die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen weiter zunimmt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor fehlt in Elektrofahrzeugen der Maskierungseffekt von Motorgeräuschen, was NVH-Probleme – besonders niederfrequente Geräusche – für Fahrgäste deutlicher wahrnehmbar macht.
Die Untersuchung betont die Wichtigkeit eines ganzheitlichen Ansatzes in der NVH-Entwicklung, der nicht nur einzelne Komponenten, sondern auch ihre Wechselwirkungen berücksichtigt. Die Einführung der Federsystem-Kraftübertragbarkeit als zentrale Metrik bietet Automobilherstellern ein neues Werkzeug zur Bewertung und Optimierung von Federsystemen. Ebenso liefert die detaillierte Analyse der Heckklappen-akustischen Kavitätskopplung wertvolle Einblicke für die Konstruktion von zweiboxigen Fahrzeugen, die in der Elektrofahrzeugmarkt zunehmend populär werden.
Darüber hinaus füllt die Studie eine kritische Lücke in der bestehenden Literatur, die traditionell auf motorbedingtem Brummen fokussiert war. Mit der wachsenden Präsenz von Elektrofahrzeugen wird Fahrbahnlärm nur an Bedeutung gewinnen, was diese Forschung zeitgemäß und relevant macht.
Praxisrelevanz und zukünftige Entwicklungen
Die von dem Team vorgeschlagenen Lösungen sind nicht nur theoretisch fundiert, sondern auch praktisch umsetzbar – ein Aspekt, der für Automobilhersteller von großer Bedeutung ist. Die Anpassung von Lagerungs- und Buchsensteifigkeiten sowie die Optimierung von Heckklappen-Einschränkungen erfordern keine grundlegenden Designänderungen, sondern können in bestehende Produktionsprozesse integriert werden.
Zukünftige Forschungen könnten auf diesen Ergebnissen aufbauen, um ähnliche Brummprobleme in anderen Fahrzeugtypen zu untersuchen. Insbesondere die Anpassung von Modalitäten und Kopplungsmechanismen könnte als Vorlage für die Entwicklung neuer NVH-Optimierungsstrategien dienen, die spezifisch auf die Anforderungen von Elektrofahrzeugen abgestimmt sind.
Darüber hinaus könnte die Integration von fortschrittlichen Simulationswerkzeugen – wie der Finite-Elemente-Methode (FEM) für akustisch-mechanische Kopplungsanalysen – die Effizienz der NVH-Entwicklung weiter steigern. Durch die Kombination von Simulation und experimenteller Validierung könnten Hersteller Brummprobleme bereits in frühen Entwicklungsstadien erkennen und beheben, was Zeit und Kosten spart.
Fazit
Die erfolgreiche Minderung des 31-Hz-Brummens im elektrischen SUV demonstriert die Kraft systematischer Ingenieuranalyse und innovativen Problemlösens. Durch die Kombination von theoretischer Modellierung, praktischen Tests und Optimierungen hat das Team vom Geely Automobile Research Institute nicht nur ein spezifisches NVH-Problem gelöst, sondern auch wertvolle Erkenntnisse für das breitere Feld der Automobiltechnik beigetragen.
Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen wird die Berücksichtigung von NVH-Aspekten – besonders von Fahrbahnlärm-Brummen – zu einem entscheidenden Wettbewerbsvorteil für Hersteller. Studien wie diese tragen dazu bei, die Grenzen des Fahrgastkomforts in Elektrofahrzeugen zu erweitern und so die Akzeptanz dieser umweltfreundlichen Fahrzeuge weiter zu fördern.
Huang Yinglai, Zhao Mingbin und Shan Xile arbeiten als Ingenieure am Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Co., Ltd. in Ningbo, Zhejiang, China. Ihre Forschung wurde in der Zeitschrift Noise and Vibration Control, Band 44, Heft 5, Oktober 2024, veröffentlicht. Der DOI der Arbeit lautet: 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.05.046.