Auswirkungen der automobilen Megatrends auf NVH

Noise Vibration Harshness

10. Oktober 2018 | Engineering Service

Zahlreiche aus sozialen und politischen Veränderungen sowie neuen technologischen Möglichkeiten resultierende Trends in der Automobilindustrie werden zu grundlegenden Veränderungen für Fahrzeuge der Zukunft führen und die NVH-Anforderungen (Geräusch, Vibration, Rauheit) stark beeinflussen. Vier Megatrends sind unter der Abkürzung CASE zusammengefasst: Connected, Autonomous, Shared und Electric (vernetzte Fahrzeuge, autonomes Fahren, gemeinsame Nutzung und Elektrifizierung des Fahrzeugantriebs).
Seit durch wissenschaftliche Erkenntnisse anerkannt ist, dass durch menschliche Aktivitäten verursachte Kohlendioxidemissionen zur globalen Erwärmung beitragen, sind Strategien zur Reduzierung der verkehrsbedingten CO2-Emissionen ein bedeutender Faktor bei der Entwicklung (konventioneller) Antriebsstränge und Fahrzeuge geworden.

Einige Jahre lang war das „Downsizing“ von Verbrennungsmotoren zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs einer der wichtigsten Entwicklungsbereiche, der eine Reihe von technologischen Forschungsaktivitäten vorantrieb und förderte. In jüngster Zeit hat sich die Elektrifizierung des Antriebsstrangs als stärkster Trend in Bezug auf die Reduzierung von CO2-Emissionen herauskristallisiert. Hybridisierung ist in unterschiedlichen Ausprägungen im Automobilsektor bereits weit verbreitet. Auf dem europäischen Markt erwartet FEV eine bedeutende Verschiebung in Richtung Plug-In-Fahrzeuge, wobei die letztendliche Aufteilung wesentlich von den Kundenpräferenzen abhängen wird.

Ein zweiter Trend, der sich in vielen Fällen bereits abzeichnet, ist die zunehmende Shared Mobility. In letzter Zeit haben Unternehmen mit stark gewerblicher Ausrichtung das Geschäftsfeld der Shared Mobility mit enormen Wachstumsraten erkundet. Im Hinblick auf die fortschreitende Urbanisierung und Bevölkerungszunahme kann erwartet werden, dass auch die Nachfrage nach öffentlichen Mobilitätsangeboten und Shared Mobility auf Kosten des motorisierten Individualverkehrs zunimmt.
In der Automobilwelt sind noch zwei weitere Megatrends erkennbar, die – zum großen Teil – miteinander verbunden sind: vernetzte Fahrzeuge und autonomes Fahren. FEV erwartet, dass die ersten komplett autonom fahrenden Autos circa im Jahr 2027 verfügbar sein und im Jahr 2030 einen voraussichtlichen Marktanteil von circa zwolf Prozent erreichen werden. Es kann auch davon ausgegangen werden, dass komplett autonom fahrende Fahrzeuge eine völlig andere Umgebung als konventionelle Fahrzeuge bieten werden. Die Vernetzung von Fahrzeugen untereinander, mit der Fahrbahn und mit der Welt stellt nicht nur eine Voraussetzung für autonomes Fahren dar, sondern wird dem Fahrer beziehungsweise den Passagieren auch eine Fülle von Informationen verschiedenster Art bereitstellen. Außerdem wird diese Entwicklung die NVH-Eigenschaften beeinflussen, die vom Fahrzeug gefordert werden.

>> Kunden haben bestimmte Erwartungen an den Markenklang sowie den Klangcharakter

Die neuen Trends in der Automobilindustrie geben Anlass für zahlreiche Fragen zur aktuellen und zukünftigen Entwicklung: Wie wird das Auto der Zukunft aussehen, welche Leistungsmerkmale wird es aufweisen, wie wird es sich anhören? Wie wird der Innenraum des Autos von morgen gestaltet sein? In welchem Umfang kann individueller Geschmack befriedigt werden, wenn Autos kein persönliches Eigentum mehr darstellen, sondern größtenteils zu gemeinsam genutzten Werten geworden sind? Welche Umgebung wird die Automobilindustrie im Inneren eines autonom fahrenden Autos schaffen und welche Rolle spielt NVH in dieser Umgebung? Wie viel und welche Art von Informationen werden akustisch bereitgestellt und auf welche Weise? Auf viele dieser Fragen gibt es heute entweder zahlreiche Antworten oder noch keine. FEV kann Ihnen jedoch einige Ideen anbieten und den Leser dazu anregen, seine eigenen Ideen zu entwickeln.

Gemeinsame Nutzung

Verschiedene Automarken und -modelle unterscheiden sich durch diverse Attribute. Neben eher objektiven Merkmalen wie Gewicht, Motorleistung, Kraftstoffverbrauch, Größe oder Preis sind für viele Kunden so genannte „Soft Skills“ wie Außen- und Innengestaltung sowie NVH noch wichtigere Verkaufsargumente. FEV nutzt Beurteilungskriterien, um die NVH-Merkmale eines Autos zu beschreiben. Zwei äußerst wichtige Parameter, die dabei zur Anwendung kommen, sind Komfort und Dynamik. Diese Parameter werden entweder durch Beurteilungen durch ein Gremium bestimmt oder basierend auf objektiven Geräuschmerkmalen berechnet. Im Allgemeinen werden dynamischere Fahrzeuge als weniger angenehm empfunden und umgekehrt.

Wenn Autos der Zukunft zunehmend kein Eigentum mehr sind und nicht mehr von nur einem einzelnen Kunden genutzt werden, sondern von vielen Shared-Mobility-Teilnehmern, wie sollte ein solches Auto dann auf einer Karte positioniert werden, die Dynamik und Komfort beschreibt? Ein potenzielles Szenario wäre die Anpassung zukünftig gemeinsam genutzter Fahrzeuge an den Geschmack des jeweiligen Kunden durch aktive Soundgestaltung (Active Sound Design). Das bedeutet, dass beispielsweise mit einer bestimmten Fahrsituation verbundene Geräuschanteile vom Hi-Fi-System hinzugefügt werden (Abbildung 1). Der jeweilige Fahrzeugnutzer würde durch seine Chipkarte identifiziert werden, die auch seine persönlichen NVH-Präferenzen enthält. Die im Fahrzeug installierten Systeme, die eine aktive Einflussnahme auf Innengeräusche ermöglichen, werden dann auf die vom Nutzer bevorzugte Weise eingestellt.

Abb. 1: Zielvarianten für die Positionierung von Dynamik-/Komfortbewertungen und die Möglichkeit zur Anpassung durch Active Sound Design

Vernetzte Fahrzeuge

Zunehmend vernetzte Fahrzeuge haben Zugang zu einer Fülle von Informationen verschiedenster Art. Manche dieser Informationen werden ausschließlich vom Fahrzeug selbst verwendet, beispielsweise für das autonome Fahren, während andere Informationen an den Fahrer und/oder die Passagiere weitergeleitet werden. Informationen dieser Art werden optisch, akustisch oder beispielsweise durch Bewegungen des Sitzes oder auf ähnliche Weise bereitgestellt. Dies ist jedoch zum größten Teil bereits heute der Fall. Daher wird erwartet, dass die zunehmende Konnektivität die NVH-Eigenschaften der Fahrzeuge von morgen eher indirekt beeinflusst, indem andere Technologien wie autonomes Fahren ermöglicht werden.

Elektrifizierung

Die Elektrifizierung des Fahrzeugantriebs ist wahrscheinlich der fortgeschrittenste der hier betrachteten Trends. Elektrifizierte Fahrzeuge, als Hybridausführung in Kombination mit einem Verbrennungsmotor oder als rein elektrisches Fahrzeug, wurden von zahlreichen OEM-Herstellern bereits zur Serienreife gebracht. Bei Betrachtung der NVH-Aspekte von elektrifizierten Fahrzeugen ergeben sich verschiedene Themenbereiche (Abbildung 2).

Abb. 2: NVH-Aspekte bei Elektrofahrzeugen

Sicherheit: In manchen Ländern ist ein zusätzliches Fahrzeug-Warngeräusch für die Fußgängersicherheit bereits vorgeschrieben. Hierbei besteht die Herausforderung darin, die Vorteile des reduzierten Verkehrslärms von leiseren Elektrofahrzeugen nicht durch bewusst erzeugte, lästige Warngeräusche zunichte zu machen. Darüber hinaus sollte dieses Warngeräusch nicht vom Fahrer oder Beifahrer wahrgenommen werden. Aus diesem Grund ist eine gute Isolierung zwischen dem Lautsprecher und dem Innenraum erforderlich.

Lästige Innengeräusche: Obwohl Elektro­fahrzeuge häufig bedeutend leiser sind als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, sind die Innengeräusche durch Bauteile mit hochfrequenten Geräuschen geprägt, die gewöhnlich subjektiv als lästig und unangenehm wahrgenommen werden. Dies ist besonders bei Bauteilen kritisch, die tonale Geräusche erzeugen.

Maskierung: Darüber hinaus werden bei Elektrofahrzeugen störende Geräusche nicht mehr durch das Geräusch des Verbrennungsmotors maskiert. Dies bedeutet, dass lästige Geräusche vom Antriebsstrang selbst sowie unangenehme Geräuschanteile von anderen Fahrzeugsystemen in den Vordergrund treten. Aufgrund des fehlenden Geräuschs vom Verbrennungsmotor werden Fahrbahn- und Windgeräusche wichtiger. Dieses frequenzabhängige Hintergrundgeräusch wird verwendet, um Ziellinien für andere Geräuschanteile vom Elektromotor oder Getriebe zu definieren.

Klangcharakter/Markenklang: Die Automobilindustrie hat viel Erfahrung mit der Gestaltung des Innenklangs von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Darüber hinaus haben Kunden bestimmte Erwartungen hinsichtlich des Markenklangs sowie des Klangcharakters in Bezug auf Komfort und Dynamik. Leise Elektrofahrzeuge bieten neue kreative Perspektiven, die durch die verantwortlichen Ingenieure entsprechend genutzt werden müssen. Es kommen mehr und mehr synthetische Geräusche zum Einsatz, um dem Fahrer Lastfeedback bereitzustellen und dadurch ein dynamisches Klangbild zu erzeugen. Im Zusammenhang mit den anderen Trends in der Automobilindustrie bietet die Elektrifizierung von Fahrzeugen interessante Möglichkeiten:

  • Autonomes Fahren: Die Möglichkeit, leisere und angenehmere Innen­geräusche und weniger Vibrationen zu erzeugen, da erwartet wird, dass sich Fahrer nicht auf den Verkehr konzentrieren
  • Gemeinsame Nutzung: Leise Elektrofahrzeuge bieten mehr Möglichkeiten zur Schaffung von fahrerspezifischen Innengeräuschen für den jeweiligen Nutzer durch Active Sound Design
  • Vernetzte Fahrzeuge: Die Geräusche, die den Fahrer über die Umgebung informieren, können aufgrund von weniger Maskierungsgeräuschen vom Antrieb auf dezentere Weise erzeugt werden

Autonomes Fahren

Autonom fahrende Fahrzeuge bieten die Möglichkeit, die Fahrzeit für andere Dinge zu nutzen, beispielsweise für Arbeit oder Unterhaltung. Es wird erwartet, dass in den nächsten zehn bis 15 Jahren hoch automatisierte und vernetzte Fahrzeugkonzepte auf den Markt kommen. Dabei werden Fahrzeuge mit unterschiedlichen Graden autonomer Fahrfunktionen schrittweise eingeführt.

Der Übergang von fahrergesteuerten zu autonom fahrenden Fahrzeugen wird die Erwartungen von Nutzern/Käufern und dadurch die Fahrzeuganforderungen stark beeinflussen. Der Nutzer eines komplett autonomen Fahrzeugs nimmt nicht aktiv am Verkehrsgeschehen teil – er steuert das Fahrzeug nicht. Seine Situation entspricht der eines Reisenden in einem Zug oder eines Geschäftsmanns auf dem Rücksitz seines von einem Chauffeur gesteuerten Luxusfahrzeugs, das heißt, sie unterscheidet sich stark von der Situation eines Fahrers eines konventionellen Fahrzeugs. Sein Hauptinteresse liegt wahrscheinlich darin, dass er bei Aktivitäten wie Gesprächen, Lesen, Telefonieren, dem Ansehen von Filmen oder der Arbeit am Laptop nicht vom Verkehrsgeschehen gestört wird. Die einzige gewünschte Störung ist möglicherweise eine Mitteilung, wenn sich die voraussichtliche Ankunftszeit ändert. Angesichts dieser Umstände ist zu erwarten, dass alle komfortorientierten Fahrzeugmerkmale an Bedeutung gewinnen, während andere Merkmale wie Beschleunigungsverhalten oder Motorleistung in den Hintergrund treten. Geräusche und Vibrationen (N&V) im Fahrzeuginneren sind die entscheidenden Einflussfaktoren für einen komfortablen Eindruck von der Umgebung. Aus diesem Grund erhalten alle Komfortskriterien der N&V-Eigenschaften des Innenraums im Lastenheft der Fahrzeuganforderungen wahrscheinlich ein höheres Gewicht. Die dynamisch und sportlich orientierten Geräuschmerkmale werden nicht erforderlich sein, da der Nutzer kein Feedback bezüglich der Fahrsituation wünscht und dieses wahrscheinlich sogar als lästig empfunden würde.
Eine Nutzerbeobachtung hat diese allgemeine Beurteilung bestätigt. Die Relevanz von unterschiedlichen spezifischen Fahrzeugmerkmalen eines automatisierten Fahrzeugs im Vergleich zu einem konventionellen Fahrzeug wird zusammen mit Spezialisten für die verschiedenen Bauteile und Merkmale von Fahrzeug und Antriebsstrang ermittelt (Abbildung 3). Zur Bewertung der spezifischen Fahrzeugmerkmale werden zwei sehr unterschiedliche Anwendungsbereiche für Fahrzeuge unterschieden: ein spezialisiertes City-Pod-Fahrzeug wird ausschließlich für die Mobilität innerhalb einer Stadt entwickelt, während ein Autobahn-Pod für Langstreckenfahrten entwickelt wird. In einem solchen Mobilitätskonzept der Zukunft kann die Einrichtung von Fahrzeugzentren angenommen werden, wo der Nutzer von einem City-Pod- auf ein Autobahn-Pod-Fahrzeug und umgekehrt umsteigen kann.

Abb. 3: Änderung der Relevanz von spezifischen Fahrzeugmerkmalen in Abhängigkeit vom Anwendungsbereich

Gemäß dieser Beurteilung werden Motormerkmale wie Nennleistung und -drehmoment, besonders für City-Pod-Fahrzeuge, in den Hintergrund treten. Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und Dynamik verlieren besonders für den Autobahn-Pod an Bedeutung. Komfortorientierte NVH-Merkmale wie ruckartiges Anfahren, Vibrationen im Fahrzeuginneren, hochfrequente Natur der Innengeräusche sowie Geräusche bei niedriger und hoher Geschwindigkeit werden für automatisierte Fahrzeuge erwartungsgemäß deutlich relevanter. Die Bedeutung der NVH-Kriterien variiert wieder entsprechend dem Anwendungsbereich von Fahrzeugen: Das Verhalten beim Anfahren ist für den City-Pod eindeutig wichtiger, während das Verhalten bei hohen Geschwindigkeiten für den Autobahn-Pod relevanter ist.

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