Vibroakustik von Aggregatlagern für Elektromotoren: Experimente, kontinuumsmechanische Modellierung unter Berücksichtigung von Alterung und Validierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Lion
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545950783

In der Entwicklung von Aggregatlagern für Elektrofahrzeuge ist es erforderlich, die Übertragung von Körperschall zu berücksichtigen. Der Übertragungsweg führt vom Motor über die Elastomerlager zur Fahrzeugstruktur. In Abhängigkeit von den frequenzabhängigen Eigenschaften der Elastomere und der sich bewegenden Elastomermasse zeigt das dynamische Verhalten der Lager Resonanzen und Antiresonanzen die zu Steifigkeitserhöhungen oder -einbrüchen führen. Wenn die Fahrgeschwindigkeit zwischen 2m/s und 60m/s liegt, der Radumfang 2m beträgt und mit Untersetzungen von 1/10 gearbeitet wird, ergeben sich Drehfrequenzen des Motors zwischen 10Hz und 300Hz. Ist der Motor nicht korrekt gewuchtet, so entstehen Anregungen in diesem Bereich. Aufgrund des Aufbaus der Elektromotoren entstehen zusätzliche Anregungen durch Rastmomente und Drehmomentwelligkeiten, deren Frequenzen bei einigen Kilohertz liegen. Wenn höherfrequente Anregungen aufgrund von Lagerresonanzen an die Karosserie weitergeleitet werden, stören diese die Fahrzeuginsassen. Ein damit verzahntes Thema resultiert aus der Abwärme der Motoren durch elektromagnetische Verluste. Neben einer Änderung der viskoelastischen Eigenschaften führt sie zur Alterung der Elastomere. Thermisch gealterte Elastomere weisen bei quasistatischen Belastungen je nach Zusammensetzung Versteifungen oder Erweichungen auf. Die zugehörige Modellierung ist bekannt. Der Einfluss der Alterung auf das dynamische Verhalten von Elastomeren wurde bis dato kaum untersucht und noch nicht kontinuumsmechanisch modelliert. Die dazu publizierten Daten zeigen, dass sich Speicher- und Verlustmodul mit der Alterung ändern. Dies führt dazu, dass sich das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der Aggregatlager während eines Fahrzeuglebens ändert. Es besteht also Forschungsbedarf, den Einfluss der Alterung auf das frequenzabhängige Verhalten von Elastomeren zu untersuchen, zu verstehen und kontinuumsmechanisch zu modellieren. Mit diesem Projekt wird die Simulation von Aggregatlagern auf ein Niveau gehoben, das über den Stand des Wissens hinausgeht. Die Erkenntnisse tragen dazu bei, langlebigere Produkte mit aussagefähigen CAE-Methoden zu entwickeln. Daraus leitet sich das innovative Projektziel ab, ein Materialmodell zu entwickeln, umzusetzen und zu validieren, mit dem sich das vibroakustische Verhalten der Aggregatlager von Elektrofahrzeugen unter Berücksichtigung von Alterung und Eigendynamik simulieren lässt. Auf Basis experimenteller Untersuchungen des frequenzabhängigen Verhaltens künstlich gealterter Elastomerproben wird ein Materialmodell für große Verformungen entwickelt, identifiziert, in den Frequenzbereich transformiert und in ein FEM Programm implementiert. Danach findet eine erste Validierung anhand des vibroakustischen Verhaltens gealterter, bauteilartiger, Elastomerproben statt. Zur finalen Validierung wird die Strukturdynamik eines Elektromotors auf unterschiedlich gealterten Elastomerbuchsen simuliert und experimentell untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen