Autofirmen optimieren die Akustik ihrer neuen Fahrzeuge bereits bei der Konstruktion am Rechner. Mit einem Simulationswerkzeug lassen sich vom Motor, über das Fahrwerk bis zum Innenraum alle erdenklichen Schwingungen, und damit Geräusche, in einer Art Trockenübung erzeugen.
Wie ein Auto klingt, wissen die Konstrukteure bereits, bevor der Motor läuft. Foto: AP
BERLIN. Die Mercedes-Entwickler sind zufrieden: Der Vierzylinder-Diesel der neuen C-Klasse ist im Leerlauf drei Dezibel leiser als es das Lastenheft vorsieht. Für Bernd Pletschen, Leiter der Abteilung Akustik und Schwingungen von Daimler-Chrysler, ist das ein Erfolg. Die Autoentwickler spüren heute Dank neuer Simulationsmethoden das Klingeln, Klappern oder Brummen im Motor auf, lange bevor überhaupt ein erstes Testfahrzeug auf der Straße fährt.
Dabei hilft ihnen ein digitaler Prototyp, der im Falle der C-Klasse aus einer Datenmenge von 2 130 Gigabyte besteht – was etwa dem Speicherplatz von 3 000 CDs entspricht. Mit diesem Simulationswerkzeug lassen sich vom Motor, über das Fahrwerk bis zum Innenraum alle erdenklichen Schwingungen, und damit Geräusche, in einer Art Trockenübung erzeugen.
„Mithilfe leistungsfähiger Computerprogramme werden bereits in einer frühen Entwicklungsphase die vom Motor erzeugten Vibrationen oder von den Achsen übertragenen Fahrbahnanregungen simuliert und die Karosseriebereiche so konstruiert, dass keine störenden Resonanzen entstehen“, sagt Pletschen. Von dem Ergebnis hängt ab, welche Isolationsmaterialien wo und in welcher Dicke eingesetzt werden – was ebenfalls am Rechner erprobt wird.
Das klingt einfacher, als es ist: Allein in der S-Klasse werden 170 Faser-, Vlies- und Schaumstoffelemente zur Schallisolation eingesetzt. Um die optimale Lösung zu finden geht es vor allem darum, am virtuellen Fahrzeug, das Schwingungsverhalten zu berechnen, aus dem sich wiederum mittels Luftmodellen des Innenraumes ableiten. Daraus wiederum ergibt sich, wo im Innenraum störende Schalldruckpegel auftreten.
„Bis zu einer Frequenz von 200 Hertz lassen sich in der Simulation gute Aussagen treffen. Oberhalb davon stößt die Berechnungsmethode jedoch noch an Grenzen“, sagt Pletschen. Vorteil dieser Vorarbeit ist, dass die Techniker trotz immer kürzerer Entwicklungszeit zu besseren Ergebnissen kommen. Pletschen: „Man geht mit einem sehr reifen Modell in das Prototypen-Stadium, was die akustische Qualität des fertigen Fahrzeuges erlebbar verbessert.“ Bei der neuen S-Klasse konnte beispielsweise so der Schallpegel im Fond um zwei bis fünf Dezibel unter die Werte des Vorgängers gedrückt werden.
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Mit Akustiksimulationen lassen sich sogar die Materialien bereits am Rechner optimieren. Am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) in Kaiserslautern wurde auf diese Weise ein Dachhimmel entwickelt. „Neu an unserem Ansatz ist, dass wir nicht etliche Materialvarianten herstellen und testen, sondern uns am Rechner die Struktur anschauen und ausrechnen, wie gut die akustische Absorption ist“, erklärt Projektleiter Volker Schulz. Die virtuell erzeugten Fasern lassen sich in ihrer Dicke und Struktur auf ihre Schallschluckfähigkeit trimmen, ohne auch nur eine einzige herstellen zu müssen. Auf diese Weise haben die Forscher entdeckt, dass sich statt der üblichen aufwändigen Sandwich-Materialien, die nicht wiederverwertbar sind, auch reines Polyester als Schallabsorber eignet. „Wir konnten das nachweisen, ohne eine Reihe von Prototypen herstellen zu müssen, was zeit- und kostenintensiv gewesen wäre“, sagt Schulz. Lediglich drei Varianten wurden tatsächlich im Auto getestet.
Gleiches lässt sich natürlich mit Sitzbezügen oder Türverkleidungen durchspielen. Der Dachhimmel wird inzwischen bei einem Wohnmobil von VW und das Simulations- und Optimierungswerkzeug namens „AdOpt“ von dem Zulieferer Sander sowie von Audi eingesetzt.
Der Ingolstädter Autobauer setzt seit Jahren diverse Verfahren ein, um Karosserie, Anbauteile und Innenraumakustik computergestützt zu verbessern, bevor Prototypen gebaut werden. „Am digitalen Modell wird in der Konzeptphase festgelegt, welcher Raum und welche Bauhöhen etwa für den Dachhimmel, Teppich und Schallschluckmatten vorhanden ist, woraus sich erste Parameter für die Simulation ergeben“, sagt Ralf Kunkel, Chef-Akustiker bei Audi.
In dieser frühen Phase zeigt sich bereits, wie Dämmmaterialien beschaffen und welche Produktionswerkzeuge erforderlich sein müssen. Kunkel ist überzeugt, dass Akustiksimulationen künftig eine noch größere Rolle spielen werden: „Ihre Bedeutung wird drastisch zunehmen, weil sich so früh in das Produkt eingreifen lässt, Probleme schnell erfassen und beseitigen lassen.“
Selbst das Sounddesign spielt in der Simulation schon eine Rolle. Für den Audi A6 3.2 FSI wurde die Abgasanlage fast vollständig virtuell entwickelt. Insgesamt 32 Varianten wurden am Rechner entwickelt und nur die drei besten gebaut und erprobt. Dennoch will Kunkel sein Handwerk nicht völlig der Software überlassen: „Der letzte Feinschliff muss am Fahrzeug geschehen, da Akustik und Sound auch ein emotionales Erlebnis sind, das man authentisch beurteilen muss.“
