18 Feb Optimización de la acustica en los coches eléctricos

En este post aprenderás cómo la Universidad RWTH de Aachen está colaborando con los principales fabricantes de automóviles, para mejorar las características de sonido de los vehículos eléctricos, hacerlos más atractivos para los compradores, y promover la difusión de coches más respetuosos con el medio ambiente utilizando las soluciones de SIMULIA (Abaqus, Simpack e Isight)

Es probable que te haya cogido por sorpresa cuando sales a caminar y un coche eléctrico se acerca por detrás de ti. Un ligero zumbido, y tal vez el suave crujido del neumático en el asfalto es todo lo que se oye. En efecto,hay mucho menos ruido externo del que el haría un vehículo de combustión interna.

Pero la irónico del vehículo eléctrico (EV) es que silencio de su motor permite que el conductor y los pasajeros escuchen más de otros ruidos que ocurren dentro del coche. El traqueteo, el chirrido y la vibración, que los sonidos de un motor de combustión interna (ICE) podrían enmascarar, se hacen más evidentes en un coche eléctrico. Es más, ese zumbido distintivo del EV puede amplificarse en todo el coche a ciertas velocidades, hasta alcanzar niveles notablemente molestos.

Entonces, ¿qué debe hacer un ingeniero de automoción? Para un grupo de investigadores de la Universidad alemana RWTH de Aachen, la respuesta es utilizar la simulación y la ingeniería de sistemas para descubrir las fuentes ocultas de ruido de los vehículos eléctricos y explorar formas de reducirlas.

Busqueda de las causas del ruido en EV

Pascal Drichel, presentó los últimos hallazgos de su equipo de ingeniería (Mark Mueller-Giebeler, Markus Jager, Joerg Berroth, Matthias Wegerhoff, Johannes Klein, Sebastian Rick, Georg Jacobs, Kay Hamayer y Michael Vorlander) en la 4ª Conferencia sobre Energía Eólica y Transmisión de Simpack en Hamburgo, Alemania, a principios de este año.

El grupo se centra en el desarrollo de métodos y modelos para el análisis, la optimización y la evaluación del comportamiento del ruido y las vibraciones (también conocido como NVH) de los vehículos.

Las soluciones SIMULIA son herramientas clave para ellos ya que realizan simulaciones de FEA y multicuerpo; también llevan a cabo mediciones in situ para la parametrización así como la validación de sus modelos a nivel de componentes, ensamblaje y sistema.

Drichel es jefe de equipo del grupo NVH del departamento/división de tecnología de accionamiento del Instituto de Elementos de Máquinas e Ingeniería de Sistemas (MSE) en el departamento de ingeniería mecánica de la Universidad.

Cuando llegó al Instituto hace casi seis años, ya tenía una buena experiencia en simulación. «Hace más de diez años que empecé a trabajar con Abaqus y Simpack», recuerda. «Cuando empecé mis estudios en 2007 usé el software como estudiante/trabajador en el Instituto, haciendo simulaciones dinámicas, y también hice prácticas en uno de los grandes OEMs automovilísticos alemanes trabajando en simulaciones de vehículos completos para accionamientos eléctricos».

En el estudio actual del equipo de Drichel, la asociación con las principales empresas alemanas de tecnología de transmisión, agrupadas en la asociación de investigación para la Ingeniería de Transmisión de Potencia (FVA), proporciona datos del mundo real para compararlos con los modelos de los ingenieros.
Es un trabajo en progreso, señala Drichel. «El aumento de la electrificación en todas las clases de vehículos, como el e.Go, el VW E-Golf y el Tesla Model 3, sigue sacando a la luz nuevos retos en cuanto al comportamiento de los NVH», dice. «Los métodos de desarrollo de productos virtuales se están volviendo muy útiles para abordar estos problemas, y estamos trabajando para perfeccionar aún más las herramientas para la evaluación y optimización de las diferentes variantes de tren de tracción».

La tren de tracción lo hizo

¿Por qué la transmisión, que es el conjunto de componentes que proporcionan potencia a las ruedas motrices, es el eje principal del trabajo del equipo de Aachen? Porque es fundamental para el control del sonido: No importa lo silenciosa que sea la propia máquina eléctrica, la transferencia de las excitaciones tonales de ésta a través de la transmisión, el diferencial, los ejes, etc., al interior del coche, produce vibraciones y otras condiciones que producen ruido y que pueden tener que ser mitigadas en un VE.

«Tratar con los fenómenos de NVH relacionados con el tren motriz es una tarea de ingeniería desafiante», dice Drichel. «Estás trabajando dentro de un sistema altamente complejo que normalmente implica diferentes dominios multifísicos». Para entender el alcance completo de los potenciales generadores de ruido en la cadena cinemática, el grupo de Drichel está utilizando un enfoque híbrido multi-dominio que consiste en la simulación y medición de componentes que miran a la electricidad, la dinámica estructural y la acústica, donde una parte central es el modelo multi-body-dynamics de la cadena cinemática.

Electromagnetismo: El grupo está desarrollando modelos que describen las fuerzas excitantes en una máquina eléctrica alimentada por inversores. Esto implica tanto enfoques de modelado analítico como numérico para un cálculo de fuerzas computacionalmente eficientes. El modelado analítico se apoya en datos de tablas de excitación y mapeo de conformación, mientras que el modelado numérico utiliza el Método de Elementos Finitos. Los espectros de fuerza-excitación se analizan para determinar qué efectos son los más dominantes y en los que se debe centrar la atención para un procesamiento posterior eficiente.

Dinámica estructural: El equipo ha creado su propia rutina de usuario para aplicar las fuerzas electromagnéticas previamente determinadas a la transmisión. Sus modelos Abaqus FEA de subconjuntos de transmisión incluyen carcasas y ejes totalmente flexibles. Los submodelos se reúnen dentro de una simulación multicuerpo Simpack, lo que permite una reducción significativa del número de grados de libertad. Esto da como resultado un modelo altamente eficiente en el que se pueden ejecutar rápidamente muchos casos de carga diferentes. Los temas de estudio incluyen el comportamiento isotrópico transversal del estator, la interacción fluido-estructura de la carcasa del estator y el refrigerante de la máquina y la rigidez de los rodamientos no lineales.

Acústica: Una imagen acústica completa de un EV debe capturar tanto el ruido aéreo como el estructural. Una vez que se ha establecido una simulación de la cadena cinemática, el sonido aéreo radiado de toda la cadena cinemática puede ser calculado utilizando una herramienta acústica interna. Esto se extrapola a la acústica del ruido de la cabina del coche utilizando la síntesis de la ruta de transferencia. Los efectos de resonancia dentro del sistema pueden ser estudiados a diferentes velocidades de la máquina y se pueden hacer ajustes en los mecanismos que causan la excitación y el exceso de sonido. Se puede llevar a cabo una evaluación objetiva y subjetiva de las «señales auditivas» resultantes para evaluar cómo los cambios en la geometría del tren de conducción afectan a los niveles generales de ruido en un diseño de coche EV concreto.

Ésta es una parte del caso de estudio de la Universidad de Aachen. ¿Te gustaría tener la historia completa? Ponte en contacto con nosotros a traves del formulario de contacto y te la enviaremos en PDF.

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