Mehr Fahrkomfort dank reduziertem Tankgeräusch. Tecosim entwickelt Simulationsprozess zur Akustikbewertung

Rüsselsheim, 7. Mai 2014. Die Akustik im Fahrzeuginnenraum hat sich in den vergangenen Jahren stetig verbessert. Doch Geräusche wie das Schwappen des Tankinhalts rücken nun umso stärker ins Bewusstsein. Tecosim hat daher einen Ansatz zur Optimierung von Tankstrukturen und eingebauten Hindernissen entwickelt.

Mehr Fahrkomfort dank reduziertem Tankgeräusch. Tecosim entwickelt Simulationsprozess zur Akustikbewertung

Rüsselsheim, 7. Mai 2014. Die Akustik im Fahrzeuginnenraum hat sich in den vergangenen Jahren stetig verbessert: Insassen werden immer weniger durch Motorlärm, Fahrtwind oder rollende Reifen belastet. Doch während das Dröhnen und Pfeifen an der einen Stelle reduziert wurde, rücken andere Geräusche umso stärker ins Bewusstsein. Dazu gehört das Schwappen des Tankinhalts. Schon bei einem konventionellem Fahrzeug hört man gelegentlich beim Anfahren oder Halten das Benzin gegen die Wand des Tanks schlagen. Dies nehmen Passagiere von Fahrzeugen mit Start-Stopp-Funktion oder Hybridantrieb durch die wegfallenden Motorengeräusche wesentlich deutlicher wahr. Tecosim hat sich intensiv mit dieser Thematik auseinander gesetzt und im Rahmen eines ZIM-Forschungsprojekts (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) einen Ansatz zur Optimierung von Tankstrukturen und eingebauten Hindernissen entwickelt.

Ausgangspunkt für das Tecosim Projektteam war die Analyse der akustischen Eigenschaften einer beispielhaften Tankgeometrie. Dabei untersuchten die Spezialisten verschiedene Parameter, darunter die Wirkung von eingebauten oder fehlenden Hindernissen, so genannten Schwallblechen. Diese sollen im Tank die Bewegungsenergie des Kraftstoffs minimieren. Außerdem analysierten sie den Einfluss von Diesel und Benzin mit unterschiedlicher Dichte und Viskosität auf das strömungsmechanische Verhalten und simulierten das Tankschwappen mit drei verschiedenen Tank-Füllständen (100, 80 und 50 Prozent). Um den Umfang des Forschungsprojekts überschaubar zu halten, wurde als Szenario ein moderates Fahrverhalten mit genau definierter Fahrzeuggeschwindigkeit, Stärke der Bremsverzögerung und die Länge der Messzeit nach dem Anhalten festgelegt.

Zu Beginn des Projekts konzentrierten sich die Ingenieure auf die Strömungssimulation (CFD). Sie stellten jedoch bald fest, dass diese für eine akustische Bewertung nicht ausreichte: Es konnte zwar aufgezeigt werden, welche Varianten der Schwallbleche wirkungsvoll das Schwappen reduzieren. Das allein ließ jedoch keine Aussage über das akustische Verhalten des Tanks zu. Denn gleichzeitig wurde klar, dass ein starkes Schwappen nicht zwangsläufig mit einer hohen Geräuschentwicklung einhergeht. Dagegen schien die Struktur der Tankwand selbst einen größeren Einfluss auf die Geräuschbildung zu haben als zunächst angenommen.

Dreigliedriger Ansatz zur akustischen Bewertung

Das Team erweiterte daraufhin den Simulationsprozess:

  • Zunächst wurde die oben erwähnte, zeitabhängige Strömungssimulation (CFD) durchgeführt. Hierbei wurden die lokale Oberflächendruckverteilung und die Fluidströmung im Tank analysiert sowie Druck und Druckgradienten an den Tankwänden berechnet. Die Ergebnisse zeigten die Geschwindigkeits-, Druck- und Fluidverteilung im Tank. Die Daten wurden via Fast Fourier Transformation für die anschließende FEM-Berechnung aufbereitet.
  • Es folgte eine frequenzabhängige FEM-Berechnung: Hier analysierten die Ingenieure die Deformationen der Tankoberfläche, die sich aufgrund der Fluid-Druckschwankungen ergeben.
  • Im letzten Schritt erfolgte eine frequenzabhängige Akustik-Analyse des Luftschalls (Sound Pressure Level SPL). Diese wurde an ausgewählten Punkten in einem vorgegebenen Abstand vom Tank durchgeführt.

Der Wechsel von einer Simulation im Zeitbereich zu einer Simulation im Frequenzbereich hat mehrere Vorteile: Letztere kann für jede Frequenz entkoppelt stattfinden. Somit ist grundsätzlich eine Auswahl bestimmter Frequenzbereichen im hörbaren Bereich oder einzelner Eigenfrequenzen möglich. Zudem ist der Simulationsaufwand im Frequenzbereich im Vergleich zu Untersuchungen im Zeitbereich geringer.

Zusammenhänge aufzeigen

Die einzelnen Schritte des erweiterten Simulationsprozess zeigten wichtige Zusammenhänge auf, die jeweiligen Ergebnisse flossen in den nächsten Schritt ein: Die CFD-Simulation gab Aufschluss über die auftretenden Kräfte der Strömung, die anschließende Struktursimulation zeigte im FE-Modell die Deformation der Tankoberfläche aufgrund der Drücke. Auf dieser Basis ließen sich mit der Akustik-Berechnung der abgestrahlte Luftschall und damit das wahrnehmbare Geräusch bestimmen. Anhand der Ergebnisse konnten die Tecosim Spezialisten bei dem Beispiel-Tank ein Hindernis mit optimierter Geometrie einsetzen. Mit dem Einbau des Schwallblechs wurden die auftretenden Strömungskräfte und damit das Tankschwappen bei allen drei untersuchten Füllständen deutlich reduziert. Dies wirkte sich nachweisbar positiv auf die Akustik aus.

Effektiver, übertragbarer Lösungsansatz

Mit der Erweiterung des Simulationsprozesses hat das Team von Tecosim eine Methodik entwickelt, genaue Aussagen über das akustische Verhalten eines Tanks zu treffen. Das entwickelte Verfahren lässt sich auf reale Tankgeometrien übertragen. Dabei können die Ingenieure nicht nur die Geräuschbildung reduzieren, sondern auch die Anzahl und die exakte Montageposition der Schwallbleche optimieren, da der Einbau dieser Hindernisse sehr kostenintensiv ist. Für OEMs sowie Hersteller von Kunststofftanks bietet diese Methodik einen deutlichen Vorteil im frühen Produktentwicklungsstadium, den Fahrzeuginsassen bringt die Reduzierung der Geräuschentwicklung mehr Komfort.

Pressekontakt / Ansprechpartner für Fragen

TECOSIM Venture AG   
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Bahnhofsplatz 3
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E-Mail: b.schmidt@ven.tecosim.com

TECOSIM Venture AG   
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