Genau hingehört – so klingt und schwingt die Elektromobilität

25.08.2021

Hannover: Wenn man genau hinhört, bietet die Geräuschkulisse in einem Fahrzeug auch ohne die aktuellen Hits aus dem Radio ein ganzes Orchester an verschiedenen Tönen: Der Fahrtwind rauscht mal laut, mal leise, je nach Geschwindigkeit. Der Blinker gibt einen regelmäßigen Rhythmus vor. Klimakompressor und Servomotor summen. Die Reifen quietschen bei allzu heftigen Manövern. Und Brems- und Parkassistenten piepen, wenn der Abstand zu klein wird. Die Mitfahrenden nehmen viele dieser Tonlagen jedoch kaum wahr – zumindest dann, wenn das Fahrzeug durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Denn der Motor übertönt einen Großteil der anderen Schallquellen. Im Elektroauto fällt dieses, auch als Maskierungseffekt bekannte Phänomen dagegen größtenteils weg – und stellt das Team von Continental vor neue Herausforderungen.

• Geräusche und Schwingungen der Nebenaggregate spielen in Elektrofahrzeugen eine größere Rolle als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren
• Optimierte Lagerungen halten den Motor in Position und schützen die Insassen vor unangenehmen Geräuschen und Vibrationen
• Anwendungsorientierte Materiallösungen sorgen für optimierten Komfort

Foto: Am Standort in Changshu werden Lagerelemente für Elektrofahrzeuge entwickelt, produziert und geprüft.  Foto: Continental AG
 
Mit Schwingungstechnologie gegen hohes Pfeifen und dumpfes Magenkribbeln
Nachdem sich viele Fahrzeughersteller bei der Konstruktion von Elektrofahrzeugen zunächst auf die Entwicklung des Antriebsstrangs und die Verlängerung der Reichweite konzentrierten, nehmen mittlerweile andere Faktoren wie Komfort und Wohlbefinden der Fahrzeuginsassen an Bedeutung zu. Denn auch wenn der Elektroantrieb objektiv leiser ist als ein Verbrennungsmotor, so werden seine hochfrequenten Geräusche im teils vierstelligen Hertzbereich von Menschen beispielsweise als unangenehmes Pfeifen wahrgenommen. Dies liegt vor allem an der unterschiedlichen Funktionsweise der beiden Motoren: In einem Verbrennungsmotor werden in jedem Zylinder kleine Explosionen erzeugt, während der Elektromotor das Fahrzeug mithilfe eines rotierenden Magnetfelds antreibt.
 
Auch das Gefühl ist im Elektrofahrzeug ein anderes: Durch die elektromagnetische Krafterzeugung und die höhere Drehzahl des E-Motors wirken die Kräfte und Momente im Fahrzeug nahezu unverzögert. Wenn dann die Karosserie zum Schwingen gebracht und dies durch die Eigenfrequenz der Struktur, beispielsweise des Motorgehäuses, weiter verstärkt wird, führt es zu spür- und hörbaren Phänomenen, welche sich zum Beispiel als dumpfes Kribbeln in der Magengegend oder als tonales Pfeifen äußern können. Ingenieurinnen und Ingenieure sprechen in diesem Zusammenhang auch von NVH-Verhalten. Dabei steht die Abkürzung NVH für die englischen Begriffe Noise (Lärm), Vibration (Schwingung) und Harshness (Rauheit).
 
Um diese hochfrequenten Anregungen von Motor und Fahrbahn so effizient wie möglich von der Karosserie zu isolieren, kommt der Lagerung von Motoren und Fahrwerk in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eine wichtige Rolle zu. Es gibt viele Stellschrauben, an denen die Lagerungsprofis von Continental bei Konzepten drehen können, um eine optimale, auf das Fahrzeug abgestimmte Lösung zu entwickeln, angefangen beim Design bis hin zum Material.
 

Foto: Der Hochfrequenzprüfstand zum Testen der speziellen Lagerelemente für Elektrofahrzeuge.   Foto: Continental AG

Innovatives Design und optimierte Materialien bilden Duo
Eine Motorlagerung besteht – unabhängig von der Antriebsart – aus jeweils einem Anbindungselement auf der Motor- und der Karosserieseite und einem elastischen Verbindungsstück, welches die Isolation übernimmt. Ob sich eine Drei- oder Vier-Punkt-Lagerung, ein Buchsen-, Konus- oder Hydrolager, eine Single- oder Double-Isolation am besten eignet, hängt von den Anforderungen und der Fahrzeugplattform des jeweiligen Herstellers ab. Mithilfe von Simulationsverfahren wie der sogenannten Finite-Elemente-Analyse (FEA) und eigenen Materialmodellen können die Expertinnen und Experten das Design und die Eigenschaften der Lagerungskomponenten bereits in sehr frühen Entwicklungsphasen beispielsweise hinsichtlich Charakteristik, Festigkeit und Beständigkeit bei Bruchlasten oder Lebensdauer optimieren. Darüber hinaus werden zum Feintuning in der Prototypenphase auch subjektive und objektive NVH-Analyseverfahren im Fahrzeuginnenraum und Fahrwerk eingesetzt.
 
Besonders viel Augenmerk legen die Materialexpertinnen und -experten von Continental dabei auf die passende Werkstoffauswahl. Da Elektrofahrzeuge aufgrund der großen Antriebsakkus ohnehin schon recht schwer sind, gilt es, die Bauteile bei optimaler Leistung möglichst leicht zu machen. So kann die Reichweite des Fahrzeugs vergrößert werden. Für die Anbindungselemente eignen sich Stahl, der durch seine hohe spezifische Steifigkeit deutlich höhere Kräfte und Momente aufnehmen kann, oder faserverstärkte Hochleistungspolyamide, die mit ihrer geringen Dichte besonders leicht sind. Oftmals können Konstruktionen aus Aluminium einen Mittelweg zwischen den beiden Extremen abbilden.
 
Für das eigentliche Isolationselement greifen die Hannoveraner auf 150 Jahre Erfahrung in Gummi zurück. Dabei unterscheiden sich die Mischungen für Elektromotoren ebenfalls von jenen für Verbrenner: Die Gummimischung ist geringeren Temperaturen im Motorraum ausgesetzt. Daher kann der Zielkonflikt des Mischungsrezeptes in Richung dynamische Verhärtung und Lebensdauer verschoben werden. Die Herausforderung für das Isolationselement liegt vor allem darin, die richtige statische und dynamische Steifigkeit sowie Beständigkeit für die optimale Isolation und ein Höchstmaß an Sicherheit zu finden – damit das Geräuscherlebnis eher einem wohligen Klangteppich als störenden Misstönen ähnelt.