Aktive Tilger verbessern Schwingungsverhalten und machen Cabrios leichter

Signalverarbeitungsplattform mit industriellem 32-bit Mikrocontroller / Grafik: Fraunhofer LBF

Oft sind die schnittigen Freiluftfahrzeuge von ihren Designern mit flacher Geometrie gezeichnet, und das macht sie an-fällig für Torsionsschwingungen. Zur Dämpfung setzen Hersteller häufig zusätzliche Versteifungen und passive Schwingungstilger ein. Das Fraunhofer LBF hat in enger Zusammenarbeit mit dem Institutskunden Trelleborg Vibracoustic eine intelligente Struktur für die Dämpfung von Torsionsschwingungen eines Cabriolets entwickelt. Das neuartige System basiert auf einem aktiven Schwingungstilger, der nicht nur das Schwingungsverhalten an verschiedenen Komfortpunkten wie Sitz, Lenkrad oder A-Säule verbessert, er verringert auch das Gewicht.

Schwingungsverhalten am Lenkrad in Querrichtung mit passivem Schwingungstilger (grau) und aktivem Schwingungstilger (grün), Simulationsergebnisse / Grafik: Fraunhofer LBF

Darüber hinaus ermöglicht ein adaptiver Regelalgorithmus eine bessere Anpassung des Tilgerverhaltens an wechselnde Fahrbahneigenschaften und an Veränderungen, wie sie mit Beladung oder Alterung einhergehen. Um bei den flach designten Cabrios Torsionsschwingungen zu unterdrücken, installieren viele Hersteller bislang im hinteren Teil des Fahrzeugs passive lineare Tilger. Allerdings steigt damit das Fahrzeuggewicht um bis zu 25 Kilogramm. Weiterer Nachteil: Gepäck oder Temperatur- und Alterungseffekte können das Gewicht beziehungsweise die Steifigkeit des Fahrzeugs ändern. Das verringert die Wirksamkeit der Dämpfung. Um diese Nachteile zu überwinden, haben die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF gemeinsam mit dem Institutskunden Trelleborg Vibracoustic eine intelligente Struktur entwickelt, welche die Torsionsschwingungen eines Cabriolets wirksam dämpft. Ziel dabei: Der Tilger sollte in den gleichen Raum wie das vorhandene passive System passen und sein Gewicht sollte sich auf die Hälfte reduzieren, dabei aber die gleiche oder eine höhere Wirkung zeigen.

Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelten in Zusammenarbeit mit Trelleborg Vibra-coustic ein adaptronisches System, bestehend aus Aktor, Sensor, Leistungsverstärkung und eingebetteter Signalverarbeitung. Im ersten Projektschritt wurde das Schwingungsverhalten eines Cabrios auf einem Prüfstand des Kunden ausführlich untersucht und die durch die Aktorik einleitbaren Beschleunigungen gemessen. Den verwendeten Aktor, ein aktiver Tilger, hatte Trelleborg Vibracoustic zuvor entwickelt.

Die ermittelten Messdaten verwendeten die Darmstädter Wissenschaftler anschließend, um ein numerisches Modell aufzubauen, das das Schwingungsverhalten an mehreren Messpunkten abbildet. Anhand des Modells gelang es, verschiedene adaptive, modell-basierte Regelalgorithmen zur Schwingungsberuhigung mehrerer verteilter Komfort-punkte wie beispielsweise Sitz, Lenkrad oder Rückspiegel zu implementieren und hinsichtlich ihrer Komfortverbesserung zu bewerten.

Für weitere Untersuchungen wurde der Regelalgorithmus auf einem Rapid-Control-Prototyping-System installiert und das gesamte System im Fahrzeug verbaut. Das Fraunhofer LBF begleitete Erprobungsfahrten sowie Prüfstandsversuche und konnte dabei die Funktionsweise überprüfen. Dabei gelang es den Wissenschaftlern, die Leistungsfähigkeit zu steigern, indem sie relevante Regelparameter im Rahmen der Erprobungsfahrten optimierten.

Bei der Integration adaptronischer Systeme rücken neben optimierten, angepassten Regelalgorithmen zunehmend auch eingebettete Signalverarbeitungsplattformen in den Vordergrund. Deshalb implementierten die LBF-Wissenschaftler den Regelalgorithmus in einem nächsten Projektschritt auf einem industriellen 32-bit Microcontroller. Die am Institut entwickelte Signalverarbeitungseinheit kann dabei aus Matlab/Simulink programmiert werden. Die Funktionsweise der eingebetteten Signalverarbeitung wurde in einem Hardware-In-The-Loop-Test, der das Fahrzeug im Fahrbetrieb in Echtzeit nachbildet, sichergestellt und in Fahrversuchen verifiziert.

Das neue autonome System verwendet Trelleborg Vibracoustic inzwischen für eigene Untersuchungen. Es kann auch in der Entwicklung von Serienprodukten eingesetzt werden. Darüber hinaus lässt sich das aktive System zukünftig auch in erweiterten Anwendungsbereichen im Automotive-Bereich, wie beispielsweise bei einem aktiven Lenk-rad-Tilger oder bei Industriemaschinen verwenden. „Das Fraunhofer LBF hat uns in jeder Projektphase beraten, unterstützt und Hardware in Form einer exakt auf unsere Bedürfnisse zugeschnittenen Elektronik geliefert", fasst Dr. Tobias Ehrt, Director System Simulation & Process Innovation in der Abteilung Advanced Engineering bei Trelleborg Vibracoustic, die Erfahrungen mit dem Darmstädter Institut zusammen.

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