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Automobil - Entwicklung, Schwingungsanalysen & Tests

Die Dauer der Produktentwicklungsprozesse vom Konzept bis zur Serienfertigung wird immer kürzer. Dies ist in der Automobilindustrie, wo die Umstellung auf Elektromobilität den Wandel zusätzlich beschleunigt, in besonderem Maße der Fall. Neue Komponenten und der Einsatz von konstruktivem Leichtbau erfordern umfangreiche Schwingungsanalysen.
Auch wenn Bauteile und ganze Bauteilgruppen immer mehr und immer genauer mittels Simulationen bereits vorab auf ihre Eigenschaften untersucht werden, so sind dennoch reale Messungen an Modellen erforderlich, um diese Berechnungen zu validieren. Berührungslose Messtechniken wie die Laservibrometrie haben dabei den Vorteil, dass sie die Schwingungen der Bauteile nicht beeinflussen und mit geringem Aufwand sehr gute Ergebnisse in kürzester Zeit liefern.

Die überlegene Signalqualität der Optomet Infrarottechnologie garantiert ein bestmögliches Messergebnis auch auf problematischen Oberflächen. Das macht die Geräte geeignet zur Vermessung beliebiger Bauteile, ungeachtet deren Material und Beschaffenheit. Die einfache Handhabung von Messgerät und Software spart wertvolle Zeit und hilft, die Entwicklungsdauer zu reduzieren.
Für welche Anwendung auch immer Sie berührungslos Schwingungen messen möchten, sei es im Windkanal, am Rotationsprüfstand oder im Akustiklabor, bei Modaltests, zur Entwicklung von Komponenten wie Sensoren oder Antrieben, das Team von Optomet unterstützt Sie gerne bei der Auswahl der geeigneten Vibrometrielösung und der Umsetzung ihrer Messaufgabe.

Aeroakustik

Die Aeroakustik beschäftigt sich mit der strömungsbedingten Lärmentstehung. Turbulente Strömungen sowie Durch- und Umströmungen von Strukturen erzeugen Vibrationen an Bauteilen. Diese Schwingungen wiederum sind für die Entstehung und Abstrahlung von Schallwellen verantwortlich, die von Menschen zum Teil als unangenehm wahrgenommen werden. Immer strengere Immissionsvorschriften verstärken ebenfalls die Notwendigkeit eines geräuschminimierenden Designs.


Speziell in der Luftfahrt- und Automobilindustrie ist die Reduzierung von Geräuschen von Bedeutung. Beispiele für Lärmquellen sind Triebwerksgeräusche an Flugzeugen oder Windgeräusche an Kraftfahrzeugen und Hochgeschwindigkeitszügen. Diese werden als umso störender wahrgenommen, je mehr andere Geräuschquellen wegfallen, wie es sich mit der Ablösung von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen durch elektrische Antriebe abzeichnet.


Der als Geräusch oder Lärm wahrgenommene Luftschall wird durch Mikrophone oder ganze Arrays von Mikrophonen aufgenommen. Wenn es allerdings darum geht, die möglichen Schallquellen zu identifizieren, sind räumlich besser auflösende Messverfahren, wie die scannende Laser Doppler Vibrometrie gefragt. 


Mit den Optomet Laser Scanning Vibrometern lassen sich berührungslos und mit hoher Genauigkeit sowohl kleine Strukturen als auch ganze Fahrzeuge untersuchen. Die benutzerfreundliche Software OptoSCAN ermöglicht die schnelle Durchführung der Messung und bietet eine breite Palette aussagekräftiger Auswertungen mit übersichtlichen zweidimensionalen und animierten Darstellungen für diese Aufgabe. So lassen sich etwa über die Korrelation der Schwingungsformen mit den im Luftschall erfassten Frequenzen wichtige Rückschlüsse auf den Ort und die Art der Schallentstehung gewinnen und geeignete konstruktive Maßnahmen zur Geräuschunterdrückung ergreifen.


Die Infrarot Laser Technologie (SWIR) des Optomet Scanning Vibrometers gewährleistet auch bei Messentfernungen von mehr als 10 Metern einen ausreichenden Signalpegel für eine verlässliche Schwingungsmessung. Selbst dunkle oder gekrümmte Messoberflächen lassen sich hiermit ohne eine reflexionserhöhende Behandlung messen. Dicke Glasflächen zwischen Vibrometer und Messobjekt stellen ebenfalls kein Hindernis dar.

 

 

Bremsenakustik

Das dynamische Verhalten von Bremsen unter Last ist entscheidend für die Gesamtbeurteilung von Bremssystemen. Bremsengeräusche, Bremsenquietschen und die gesamte Bremsenakustik haben einen großen Einfluss auf die Performance und den Komfort des Fahrzeuges. So können vorzeitig und unerwartet auftretende Verschleißerscheinungen die Effizienz des Bremsensystems und damit die Fahrsicherheit erheblich beeinträchtigen.

Auch dem Komfort der Insassen wird in der Automobilentwicklung eine stetig wachsende Bedeutung beigemessen. Für Fahrzeugkäufer, insbesondere im Premiumsegment, stellt der akustische Komfort oftmals ein wichtiges Argument für oder gegen einen Kauf dar. Bremsengeräusche werden darüber hinaus als umso störender wahrgenommen, je mehr andere Geräuschquellen entfallen, wie es etwa der Fall ist, wenn in zunehmenden Maße Verbrennungsmotoren durch Elektroantriebe ersetzt werden.

Ursache des Bremsenquietschens ist die Reibung zwischen Bremsscheibe und Bremsklötzen und die daraus resultierende Anregung von Schwingungsmoden bei Frequenzen, die vom menschlichen Gehör als unangenehm empfunden werden. In der Bremsenentwicklung werden Finite-Elemente-Modelle genutzt, um solche Moden zu bestimmen und ihr Auftreten durch geeignete Anpassung der Bremsengeometrie oder andere konstruktive Maßnahmen zu unterdrücken.

Das Optomet Scanning Laser Doppler Vibrometer erlaubt die kontaktlose Erfassung und Analyse der auftretenden Schwingformen der Oberflächen von Bremsscheibe und -sattel, sowie deren 3-dimensionale animierte Darstellung. Damit lassen sich die Modellrechnungen präzise mit dem tatsächlichen Schwingverhalten abgleichen und validieren.

Zur Untersuchung der Bremsencharakteristik kann die Bremse mit einem Modalhammer zu Schwingungen angeregt werden, oder aber die Bremsenschwingungen werden unter Betriebsbedingungen gemessen. Die erste Methode liefert sämtliche Moden des Bremssystems, der Einfluss von Befestigungen und Kopplungen auf das Schwingverhalten wird hierbei jedoch vernachlässigt, und die für den Fahrbetrieb typischen Anregungen bleiben unberücksichtigt. Für die zweite Methode wird Scanning Laser Technologie für die Betriebsschwinganalyse des Systems aus Bremsscheibe und -sattel auf Bremsenprüfständen unter möglichst betriebsnahen Bedingungen vorteilhaft eingesetzt. Die gezielte Anregung von Quietschgeräuschen ist jedoch meist nicht ohne Mühe wiederholbar. Mit Optomet Scanning Laser Vibrometern besteht die Möglichkeit, die Messung automatisiert auf das Zeitfenster zu beschränken, in dem das Qietschen tatsächlich auftritt. Dies bedeutet eine erhebliche Erleichterung und Zeitersparnis im Optimierungsprozess.

Die Optomet SWIR Laser Vibrometer Technologie ist ideal geeignet für die Messung von Bremssystemen und -komponenten im Fahrzeugbau. Der entscheidende Vorteil der Optomet Lösung gegenüber herkömmlichen HeNe-basierten Systemen tritt besonders deutlich hervor bei der Messung von Bremsscheiben auf dem Prüfstand. Back-to-Back-Tests von SWIR und HeNe Vibrometern haben ergeben, dass HeNe Systeme aufgrund des übermäßigen Rauschpegels nicht in der Lage sind, Messdaten in hinreichender Qualität zu liefern. Die zu untersuchenden Resonanzen gehen im Rauschen unter. Der Einsatz der Optomet SWIR Laser Vibrometer Technologie bewirkt dem gegenüber eine dramatische Verbesserung und liefert in diesen Anwendungen Ergebnisse mit Rauschpegeln, die 40 dB bis 50 dB unterhalb der Resonanzpeaks liegen.

 

 

Elektrische Antriebe

In  modernen Fahrzeugen sind zahlreiche elektrische Antriebe verbaut, manche im direktem Wahrnehmungsbereich der Fahrzeuginsassen wie beispielsweise elektrische Fensterheber, Schiebedachantrieb, Außenspiegel Stellmotoren, Scheibenwischerantrieb oder Sitzversteller. Andere wiederum verrichten Ihren Dienst ohne direkt wahr genommen zu werden. Hierzu zählen zum Beispiel Kraftstoff- bzw. Kühlwasserpumpen oder Gebläsemotoren.

Jenseits ihrer gewünschten Funktion können diese Antriebe auch eine Quelle unerwünschter Störgeräusche darstellen. Insbesondere wenn in Elektro- oder Hybridfahrzeugen der Verbrennungsmotor als dominante Geräuschquelle entfällt, sind diese Nebengeräusche mitunter deutlich hörbar.

Laservibrometer von Optomet helfen dem Entwicklungs- und Prüfingenieur diese Störquellen zu lokalisieren, zu visualisieren und zu quantifizieren. Darüber hinaus eignen sich die berührungslosen Schwingungssensoren von Optomet ideal für ausführliche Tests zur Schwingungs- und Stoßbelastbarkeit dieser Komponenten.

 

 

Haptische Displays

Im Zeitalter von Tablets und Smartphones haben wir uns längst an das Wischen statt Tippen gewöhnt. Das Tippen auf virtuellen Tastaturen jedoch fällt vielen Nutzer schwer, da sie nicht durch die Fingerspitze hindurchsehen können, welcher Punkt auf dem Touchscreen gerade berührt wird.

Bedenklich für die Sicherheit wird es, wenn berührungsempfindliche Bildschirme am Steuer eines Fahrzeuges benutzt werden. Eine Lösung bieten haptische Displays, mit denen sich Tasten und Schieberegler auf dem Display fühlbar machen. Sie geben dem Finger des Anwenders eine Rückmeldung, ob seine Befehle ausgeführt werden, ohne dass er dazu den Blick auf den Bildschirm richten muss.

Optomet Laser Doppler Vibrometer leisten unersetzliche Arbeit bei der Entwicklung solcher haptischen Displays, ebenso wie bei deren Qualitätssicherung in der Produktion.

 

 

Woher kommt das störende Geräusch?

Speziell bei Fahrzeugen, in denen eine Vielzahl von Bauteilen eingebaut sind, treten immer wieder ungewollte Vibrationen auf, die der Fahrer und seine Mitfahrer über Körperschall oder Luftschall oftmals als störende Geräusche wahrnehmen. Durch sogenannte NVH-Tests, was für „Geräusch, Vibration, Rauheit“ (Noise, Vibration, Harshness) steht, versuchen Ingenieure die Schallquellen zu lokalisieren und diese anschließend zu eliminieren. Ziel ist es, dem Nutzer ein möglichst komfortables, geräuschoptimiertes Produkt zur Verfügung zu stellen.

Laser Scanning Vibrometer von Optomet mit ihrer hohen räumlichen Auflösung und ihrem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf beliebigen Oberflächen eignen sich besonders zum Auffinden der Vibrationsquellen. Mithilfe der einfachen und intuitiven Software für den Messprozess, der aussagekräftigen 3D-Visualisierung der Daten und des schnellen automatisierten Scanprozesses können Produktoberflächen in kürzester Zeit untersucht werden.
Die zahlreichen Möglichkeiten für die Darstellung und den Export der Messdaten erleichtern die Kommunikation mit Kollegen. Anhand der Ergebnisse können Ingenieure beispielsweise Bauteilverbindungen oder -geometrien überdenken und an geeigneten Stellen die Dämpfung erhöhen.

 

 

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