Ableitung objektiver Anforderungen für impulshafte Störgeräusche bei elektrischen Lenksystemen

Abstract

Die Anforderungen der Fahrzeuginsassen an die technische Akustik im Gesamtfahrzeug sind hoch, weshalb die Entstehung von Störgeräuschen durch geeignete Entwicklungsmethoden zu vermeiden ist. Störgeräusche können beim Befahren von unebenen Straßen wie Kopfsteinpflaster im Lenkgetriebe entstehen und werden als impulshaftes Klappern im Fahrzeuginnenraum wahrgenommen. Aufgrund von simultanen Fahrzeugentwicklungsprozessen ist eine subjektive Bewertung nicht ausreichend, weshalb die Definition von objektiven und fahrzeugunabhängigen Anforderungen bereits in der frühen Entwicklungsphase notwendig ist. Zur Definition der objektiven Anforderungen an die Störgeräuschakustik von Lenksystemen ist ein Systemverständnis erforderlich, welches die Zusammenhänge von der Fahrbahnanregung bis zur Wahrnehmbarkeit der impulshaften Klappergeräusche im Fahrzeuginnenraum darstellt. Aus einer Kombination der vom Lenkgetriebe rückwirkungsbehafteten, dynamischen Zahnstangenkräfte und Spiele, resultieren Körperschall-Einzelimpulse mit einer Wiederholfrequenz von ca. 60 Hz, die auf mechanische Kontakte innerhalb des Lenkgetriebes zurückzuführen sind. Die Einzelimpulse sind nach der Weiterleitung über Transferpfade im Luftschall des Fahrzeuginnenraums hauptsächlich unterhalb von 1000 Hz wahrnehmbar. Für eine fahrzeugunabhängige Bewertung werden die Störgeräusch-Phänomene des Lenkgetriebes an einem neu entwickelten Komponentenprüfstand anhand von drei verschiedenen Methoden zur Bestimmung der äquivalenten Kräfte des Lenkgetriebes untersucht. Während durch die direkte Kraftmessung eine gute Vorhersagequalität im niedrigen Frequenzbereich möglich ist und die In-Situ Methode mit Ausnahme des niedrigen Frequenzbereiches eine hohe Qualität darstellt, vereint die In-Situ hybride Methode die Vorteile der beiden Ansätze. Die translatorischen Freiheitsgrade der Anschraubpunkte, die durch Virtuelle Punkte beschrieben sind, stellen ab 200 Hz eine Differenzierung der Lenkgetriebe bei vorhandenen Störgeräuschen dar. Anhand der Luft- und Körperschalldaten aus Fahrzeugmessungen werden akustische, psychoakustische sowie statistische Analysemethoden angewendet und dienen einem linearen Regressionsmodell als Eingangsgrößen, dessen Qualität durch einen Vergleich zwischen der Vorhersage und der subjektiven Bewertung bestimmt wird. Während die Anwendung der Analyseergebnisse des Luftschalls auf andere Fahrzeugprojekte aufgrund hoher Umgebungsgeräusche kritisch zu hinterfragen ist, bietet das Regressionsmodell bei der Betrachtung des Körperschalls eine hohe Vorhersagequalität. Zur fahrzeugunabhängigen, objektiven Vorhersage der aus Lenksystemen resultierenden Störgeräusche werden die Beschleunigungen am Komponentenprüfstand, die äquivalenten Kräfte sowie der mithilfe einer Fahrzeugübertragungsfunktion gebildete auralisierte Luftschall anhand von verschiedenen Analysen untersucht. Durch die Anwendung der Analysen Relative Approach, Schärfe, Lautheit, Kurtosis sowie dem quadratischen Mittelwert sind Vorhersagen und objektive Bewertungen der impulshaften Störgeräusche im Fahrzeug aber auch fahrzeugunabhängig möglich.

Requirements of the vehicle occupants for technical acoustics in vehicles are high, for which reason the occurrence of interfering noise must be avoided by suitable development methods. Interfering noise can occur within the steering gear when driving on uneven roads such as cobblestones. The sound phenomena are perceived as an impulsive rattling in the vehicle interior. Due to simultaneous vehicle development processes, a subjective evaluation is not sufficient, for which reason the definition of objective and vehicle-independent requirements are necessary in the early stage of development. To define objective requirements, a system understanding is necessary, which describes the relationships between the road excitation and the perception of impulsive rattling noises inside the vehicle. The result of a combination of clearance and dynamic rack forces, which are affected by the stiffness of the steering gear, are single structure-borne impulses with a frequency of approx. 60 Hz, which can be attributed to mechanical contacts within the steering gear. The effects of those impulses are being transmitted by vehicle transfer paths inside the interior and can be measured primary below 1000 Hz in the airborne sound. For a vehicle-independent evaluation the noise phenomena, generated by the steering gear, are investigated on a newly developed component test bench by using three different methods for determining the equivalent forces of the steering gear. While the direct force measurement obtains a good prediction quality in the low frequency range and the In-Situ method reaches a high-quality level with the exception of the low frequency range, the In-Situ hybrid method combines the advantages of both approaches. The translational degrees of freedom, described by virtual points, represent a difference of the steering gears from 200 Hz in the presence of interfering noise. Based on airborne and structure-borne sound data received from vehicle measurements, acoustic, psychoacoustic and statistical analysis are applied. The resulting analysis values are used for linear regression models as input variables. Thee quality is determined by a comparison between the prediction and the previous subjective evaluation. While the application of the analyzed airborne noise to other vehicle projects must be questioned critically due to high ambient noise levels, the regression model offers a high prediction quality when considering structure-borne noise. For vehicle-independent, objective predictions of interfering noise the accelerations of the steering gear assembled on the test bench, the equivalent forces and the auralized airborne sound formed with the transfer paths are investigated by various analysis. By applying the analysis of relative approach, sharpness, loudness, kurtosis and the root mean square, predictions and objective evaluations of the impulsive interfering noises are possible inside the vehicle and independently of the vehicle by using a test bench.