"NVH-Zielkonflikte optimal ausbalancieren“

Welche Geräuschquellen stören beim Elektroauto und wie können NVH-Probleme gemeinsam mit dem Kunden gelöst werden? Das erläutert Enrico Kruse, Leiter von Systemsimulation und Fahrzeugversuch bei Vibracoustic, im Interview. 

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ATZ_springerprofessional.de: Herr Kruse, mit dem Einzug des batterieelektrischen Pkw ändert sich die Geräuschkulisse im und um das Auto gewaltig. Welche Geräusche sind beispielsweise in einem E-Auto noch erlaubt?

Kruse: Nun ja, erlaubt ist erstmal alles, was nicht stört. Der allgemeine Geräuschpegel in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridauto, das im E-Modus ist, das muss man immer wieder sagen, sinkt enorm. Es kommen dann andere Geräusche zum Vorschein, die zwar immer da waren, aber nun mehr auffallen und dann auch teilweise stören. Hier gilt es, unser jahrzehntelang gesammeltes Know-how auf neue Antriebskonzepte zu übertragen und zusammen mit dem Kunden zu validieren. Hier ist es wie so oft wichtig, dass man frühzeitig die neuen Herausforderungen wie höhere Frequenzbereiche oder neue Geräuschquellen erkennt und adressiert und nicht erst, wenn der Kunden bereits in Massen produziert. Das ist ein ganz wichtiges Thema für uns, und daher beschäftigen wir uns schon seit Jahren mit diesen neuen Herausforderungen.

Zum speziellen Thema NVH. Beim Elektroauto überdeckt der leise E-Antrieb nicht mehr andere Lärmquellen, wie es der Verbrennungsmotor tat. Welche Schallspitzen treten hervor?

Zum einen sind das beispielsweise Ventilschaltgeräusche oder Lärm von Nebenaggregaten wie Pumpen und Kompressoren, die vorher auch da waren, bisher aber nicht auffielen. Und von solchen Komponenten haben E-Autos ja eine ganze Reihe. Zum anderen kommt zusätzlicher Lärm hinzu: Man denke nur an die aktive Kühlung der Lithium-Ionen-Batterie. 

Können Sie ein Beispielszenario für die Energiespeicherkühlung nennen?

Während das Fahrzeug steht und per Hochspannung geladen wird, arbeitet die Batteriekühlung auf Hochtouren. Dabei wird nicht nur das Kabel warm, auch die Batterie selbst. Ich sitze im Auto, weil es regnet, und warte darauf, dass das Auto in 30 Minuten aufgeladen ist. Dabei läuft ein Kühlkreislauf mit Kältemittelkompressor und -pumpe, was im Fahrbetrieb schon hörbar ist, aber im Stand noch mehr auffällt und stört, gerade wenn ich eigentlich einen Film gucken möchte oder in der Wartezeit telefoniere. Als Lösung haben wir eine spezielle Lagerung für die Isolierung des Körperschalls im Angebot. Uns erreichen in letzter Zeit für solche Nebenaggregatlagerungen von Pumpen und Verdichtern, die sehr komplex sein können, viele Interessensbekundungen und zahlreiche konkrete Anfragen. Auch unser Produkt Dual Isolation, also zwei aufeinander abgestimmte Ebenen von Gummilagerungen mit Zwischenblech, zählt dazu.

Aber Sie greifen mit Ihrer Arbeit nicht in das Nebenaggregat selbst ein, wie es ein Ingenieur schulbuchmäßig als Primärmaßnahme machen würde?

Nein, die Komponente ist für uns stets gegeben und unveränderlich. Der Verbrennungsmotor war für uns früher ja auch immer unantastbar.

Welche störenden Geräuschquellen gibt es beim Elektroauto, dominiert nur das lästige Pfeifen des Inverters?

Nein, alle drei Quellen für das hochfrequente Singen, das sogenannte Straßenbahngeräusch, sind beim Elektroantrieb markant. Erstens das E-Motorgeräusch selbst durch seine erste Ordnung, und durch die elektrische Anregung gibt es weitere sehr hohe Ordnungen beim Hochlaufen. Das Zweite ist das Einganggetriebe, das dazu dient, die hohe Drehzahl des E-Motors an die Raddrehzahl anzupassen. Auch wenn es nur ein Zahnradpaar ist, bildet dieser sogenannte Reducer oft die störendste Geräuschquelle im Elektroantrieb. Viele OEMs nutzen dafür ein Planetenradgetriebe, dessen Hohlrad direkt mit dem Gehäuse verbunden ist, was den Transferpfad verschlechtert. Wir arbeiten gerade an einer Hohlradentkopplung, indem zwischen Hohlrad und Gehäuse eine spezielle Gummischicht kommt, die aber dennoch die großen Drehmomente abstützen kann. Das ist dann wieder unser Know-how, mit dem wir die Gegebenheiten adressieren und den Komfort verbessern.

Und als Drittes kommt der Inverter ins Spiel. Sein Geräusch erzeugt er leistungs-, also nicht drehzahlabhängig?

Ja. Die Hauptfrequenz ist fest und gegeben, sie liegt oft bei 10.000 Hertz, hinzu kommen einige Seitenbänder. Ein Teil davon wird als Luftschall abgestrahlt. Beim Inverter ist das unserer Erfahrung nach beispielsweise beim Invertergehäusedeckel der Fall, der in den Gesamtblock des E-Antriebs integriert ist. Damit haben wir wenig zu tun, denn hier helfen Dämmmaßnahmen wie Kapselung oder spezielle Materialien für den Gehäusedeckel. Ein anderer Teil wird aber als Körperschall abgegeben, wie bei den E-Motor- und Reducer-Anregungen. Der wird dann über die Motorlager in die Karosserie übertragen, und da kommen wir von Vibracoustic ins Spiel.

Es müssen tiefe und hohe Frequenzen entkoppelt werden, was ist der Unterschied in der Herangehensweise?

Beim Elektromotor gehen wir über mehrere 1.000 Hertz hinaus, während sonst eher Frequenzen zwischen ein bis wenigen Hundert Hertz adressiert werden müssen. Wir lösen die Isolierungsaufgabe neuerdings dadurch, dass wir sogenannte Flaps – kleine Gummiflügel – als lokale Tilger ins Elastomerelement integrieren. Bei hohen E-Motor-Drehzahlen fangen dann tatsächlich diese Gummiflügel an zu schwingen und löschen in einem bestimmten Frequenzbereich die Schwingung aus. Man könnte denken, die sind einfach als Artefakte von der Produktion stehengeblieben, aber das sind Hochfrequenz-Oberflächenstrukturen, die von uns gezielt an der Oberfläche des Lagers angebracht sind und die den Unterschied ausmachen.

Tilger gelten mit ihrem Gummi als zu schwer, gerade in Zeiten des Leichtbaus. Was entgegnen Sie?

Generell gilt: Eine Tilgermasse muss circa zehn bis zwanzig Prozent dessen sein, was ich beruhigen möchte. Ein relativ leichter Tilger, in der frühen Entwicklungsphase strategisch passend eingeplant, kann daher das Gesamtgewicht der tragenden Struktur von vorneherein senken und die NVH-Performance wesentlich verbessern.

Inwieweit kann der Kunde eingebunden werden, was hat er davon, Partner zu sein?

Ich kann die Motorlager eines Elektroautos so auslegen, dass sie genau bei 1.000 Hertz besonders gut isolieren. Physik lässt sich auch bei NVH-Problemen kaum überlisten. Aber man kann mit dem entsprechenden Know-how die Zielkonflikte optimal ausbalancieren. Dass es dann beispielsweise bei 1.300 Hertz zu Schwingungen kommt, ist akzeptabel, wenn dort keine Anregung vorkommt. Hier wird eine Resonanz gut vertragen. Dann hilft auch immer ein frühzeitiger Abgleich mit dem Kunden, um erwartbaren "Schmerzpunkten" frühzeitig begegnen zu können. Wenn man sich dafür gemeinschaftlich in einer Partnerschaft bewegt, ein Vertrauensverhältnis und kurze Abstimmungswege hat, ist das stark von Vorteil und beschleunigt natürlich den Entwicklungsprozess.

Herr Kruse, vielen Dank für den aufschlussreichen Dialog.

Mehr vom Interview können Sie in der ATZ 6-2020 lesen, die am 29. Mai 2020 erscheinen wird.