viaMeta

Entwicklungs- und Produktionsprozesse vibro-akustischer Metamaterialien für Leichtbau im Fahrzeug

In der Fahrzeugentwicklung stehen die Forderungen nach Energieeffizienz durch Gewichtsreduktion im Konflikt mit dem Wunsch nach einem hohen Geräusch- und Schwingungskomfort. Insbesondere bei elektrifizierten Fahrzeugen wird dieser Konflikt deutlich. Zum einen fehlen im unteren Frequenzbereich maskierende Geräusche des Verbrennungsmotors und zum anderen treten hochfrequente tonale Geräuschkomponenten auf, die von dem Fahrzeuginsassen auditiv wahrgenommen werden. Zudem erhöht sich das Gewicht des Fahrzeuges durch zusätzliche Komponenten, insbesondere durch die Antriebsbatterie. Dies resultiert in steigende Leichtbauanforderungen für den Rest des Fahrzeuges und somit einer Verschärfung des obengenannten Zielkonfliktes.

Sogenannte vibro-akustische Metamaterialien sollen diesen Konflikt auflösen. Vibro-akustische Metamaterialien bestehen aus am Objekt periodisch angebrachten Feder-Masse-Systemen. Durch diese Anordnung können mit Metamaterialien bei geringem zusätzlichen Gewicht in einem vorbestimmten Frequenzbereich Schwingungen in Form von Stoppbändern stärker als mit konventionellen Methoden reduziert werden. Da hierdurch auch eine Verringerung des Gewichts ohne Verschlechterung der vibro-akustischen Eigenschaften ermöglicht wird, kann somit der Zielkonflikt zwischen sehr schlanken, leichten Strukturen und optimalem Komfort aufgelöst werden.

Das Projekt viaMeta verwirklicht eine ganzheitliche, virtuelle Entwicklungsstrategie unter Einbeziehung vibro-akustischer Metamaterialien. Deren physikalische Modellierung wird nachgebildet und optimiert. Die Komponenten werden in einem skalierbaren Produktionsprozess hergestellt und durch neue Methoden validiert.

Das Institut für Kraftfahrzeuge der RWTH Aachen University wirkt neben der Anforderungsentwicklung bei den Methoden der virtuellen Optimierung & Validierung mit und validiert die vibro-akustischen Eigenschaften experimentell. Mit spezifischen Prüfständen sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemebene wird zunächst überprüft, inwieweit etablierte Korrelations- und Optimierungsmethoden zur Validierung der Simulationsmodelle geeignet sind. Darauf basierend wird eine Anpassung der Methoden an die Anforderungen des Anwendungsfalls und die Verwendung neuer Ansätze erarbeitet. Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen auf Komponenten- und Systemebene und aus der Validierung der entsprechenden Modelle werden auf das Gesamtfahrzeug übertragen. Die Eignung der Methoden zur Transferpfadanalyse sind ebenfalls auf die Anwendbarkeit hin zu überprüfen und falls erforderlich anzupassen, um eine Prädiktion des Luft- und Körperschalls im Fahrzeuginnenraum zu ermöglichen. Die abschließende vibro-akustische Vermessung eines Gesamtfahrzeug-Versuchsträgers ist die Grundlage zur Validierung der Simulationsmodelle auf Fahrzeugebene und zur Verifikation der Wirksamkeit der Metamaterialien.