Das Projekt ist über einige Jahre hinweg entstanden und wurde von mehreren Ingenieuren begleitet und weiterentwickelt, darunter Prof. Dr.-Ing. Elmar Woschke, Prof. Dr.-Ing. Hermann Rottengruber, Dr.-Ing. Tommy Luft sowie Dr.-Ing. Braj Bhushan Prasad. Über die Hintergründe des Projekts und das Potenzial der Partikel-Dämpfung haben wir uns mit Dr. Prasad genauer unterhalten.
Herr Dr. Prasad, wenn man von Noise Cancelling im Auto spricht, denken viele meist an Systeme wie „Road Noise Control“. Warum stößt diese digitale Lösung beim hochfrequenten Sirren und Pfeifen der Leistungselektronik an ihre Grenzen?
Dr.-Ing. Braj Bhushan Prasad: Zunächst einmal sind aktive Geräuschunterdrückung und unsere Partikeldämpfung keine konkurrierenden Technologien, sondern zwei unterschiedliche Werkzeuge für unterschiedliche physikalische Aufgaben. Systeme wie Road Noise Control können insbesondere bei tieffrequenten, vergleichsweise langwelligen Geräuschen sehr wirkungsvoll sein. Unsere Untersuchungen adressieren dagegen ein anderes Problem: hochfrequente, tonale Geräusche, die direkt aus der Leistungselektronik des elektrischen Antriebs entstehen.
Bei einem Wechselrichter erzeugen die Schaltvorgänge der Leistungselektronik harmonische Anregungen und elektromagnetische Kräfte. Treffen diese auf Eigenfrequenzen des Invertergehäuses oder seines dünnwandigen Deckels, können Resonanzen entstehen. Der Deckel beginnt stärker zu schwingen und kann diese mechanische Schwingung als hörbaren Luftschall abstrahlen. Vereinfacht gesagt wirkt der dünne Deckel dann ein Stück weit wie die Membran eines Lautsprechers: Die elektrische Anregung bringt die Struktur zum Schwingen, und aus dieser Strukturschwingung entsteht schließlich ein hörbares Sirren oder Pfeifen. Ein ANC versucht, einen bereits entstandenen Schall durch ein gezielt erzeugtes Gegensignal am Hörort zu reduzieren. Bei höheren Frequenzen wird diese Aufgabe akustisch anspruchsvoller, weil die Wellenlängen kürzer und die Schallfelder räumlich komplexer werden.
Warum braucht es hier Ihre mechanische Partikel-Lösung direkt am Gehäuse?
Dr.-Ing. Braj Bhushan Prasad: Unser Ansatz greift eine Stufe früher in der Entstehungskette ein. Wir versuchen nicht erst, den bereits abgestrahlten Schall im Fahrzeuginnenraum zu kompensieren, sondern reduzieren die mechanische Schwingung direkt an dem Bauteil, das den Schall erzeugt. Dabei ist wichtig: Partikeldämpfung ist grundsätzlich kein auf hohe Frequenzen beschränktes Verfahren. Sie ist ein breitbandiges passives Dämpfungskonzept. Unsere früheren Untersuchungen zeigen, dass Partikeldämpfer mit Reifengranulat über einen großen Frequenzbereich wirksam sein können. Im aktuellen EV-Versuch war für uns jedoch besonders der Bereich zwischen etwa 800 und 1.100 Hertz relevant, weil dort die akustisch kritischen Resonanzen der Leistungselektronik lagen.
Das heißt: Der Dämpfer ist nicht nur deshalb interessant, weil er bei hohen Frequenzen wirkt. Sein Vorteil ist vielmehr, dass er ein breites Frequenzspektrum adressieren kann und gleichzeitig direkt an der schwingenden Struktur ansetzt. In den Versuchen am realen elektrischen Antrieb wurde bei rund 897 Hertz eine Reduktion der Strukturschwingung um bis zu 9,7 Dezibel gemessen. Deshalb würden wir nicht sagen: Active Noise Cancelling funktioniert nicht und man braucht stattdessen Partikeldämpfung. Beide Ansätze haben unterschiedliche Stärken. Unsere Partikeldämpfung ist ein breitbandiges passives Konzept, das direkt an der schwingenden Struktur ansetzt.
Was macht Reifengummi für Ihre Forschung zum passenden Material?
Dr.-Ing. Braj Bhushan Prasad: Dass wir recyceltes Reifengummi verwenden, hat zunächst einen physikalischen Grund. Reifengummi ist ein stark viskoelastisches Material. Wenn die einzelnen Partikel im Dämpfer miteinander oder mit der Gehäusewand kollidieren, verformen sie sich. Dabei wird ein Teil der mechanischen Schwingungsenergie dissipiert. Hinzu kommt, dass das Granulat aus Altreifen keine ideal glatten Kugeln bildet, sondern raue und unregelmäßige Oberflächen besitzt. Dadurch entstehen viele Kontaktstellen zwischen den Partikeln und zusätzliche Reibungs- und Verformungsvorgänge – genau diese Mechanismen sind für die Energiedissipation im Partikeldämpfer wichtig.
Ein zweiter entscheidender Punkt ist das Gewicht. Klassische Partikeldämpfer arbeiten häufig mit Stahl-, Blei- oder anderen schweren Partikeln. Diese können sehr effektiv sein, erhöhen aber die Masse des Bauteils. In unseren Versuchen war beispielsweise die Masse bei einer vergleichbar effektiven Füllung mit Bleischrot mehr als zehnmal so hoch wie bei dem von uns verwendeten Reifengranulat. Gerade im Automobilbau ist das ein wesentlicher Vorteil des Gummis.
Gab es Alternativen, die Sie aber ausschließen mussten?
Dr.-Ing. Braj Bhushan Prasad: Wir haben uns nicht von Anfang an auf Reifengummi festgelegt, sondern sehr unterschiedliche Materialien systematisch miteinander verglichen. Untersucht wurden neben verschiedenen Granulaten und Pulvern aus recycelten Altreifen auch EPDM-Gummigranulate sowie klassische und alternative harte Partikel: Stahlkugeln, Bleischrot, Stahlspäne, Kunststoffkugeln, Kunststoffzylinder, Quarzpulver, Steinpulver sowie grober Sand und eine feinere Sandmischung. Die Auswahl der alternativen Materialien berücksichtigte dabei auch wirtschaftliche Verfügbarkeit und kommerzielle Zugänglichkeit.
Das interessante Ergebnis war, dass es nicht das eine Material gibt, das unter allen Bedingungen am besten ist. Bleischrot, Stahlspäne und Stahlkugeln können beispielsweise eine sehr hohe absolute Dämpfungswirkung erreichen. Betrachtet man jedoch die Dämpfungswirkung im Verhältnis zur zusätzlich eingebrachten Masse, verschiebt sich das Bild deutlich. Dabei haben wir außerdem festgestellt, dass nicht nur das Material selbst entscheidend ist. Auch Partikelgröße, Form und vor allem die Partikelgrößenverteilung spielen eine wichtige Rolle. Reifengranulat ist von Natur aus polydispers – es besteht also nicht aus vollständig identischen Partikeln. Bei unseren Untersuchungen zeigten insbesondere die Granulate um 4,6 und 6,4 Millimeter eine relativ breite Größenverteilung. Eine breitere Größenverteilung war in unseren Versuchen generell mit einer verbesserten Schwingungsreduktion verbunden.
Der Nachhaltigkeitsaspekt kommt noch zusätzlich hinzu: Wir können einen Materialstrom aus ausgedienten Fahrzeugreifen einer neuen technischen Funktion zuführen. Aber wir verwenden Reifengummi nicht allein deshalb, weil er recycelt ist. Entscheidend ist, dass er gleichzeitig technisch interessante Dämpfungseigenschaften und eine geringe Dichte besitzt. Nachhaltigkeit und Funktion fallen hier glücklicherweise zusammen.
Je nach Hersteller, Gummi-Mischung und Abnutzungsgrad unterscheiden sich die Materialeigenschaften von Reifen mitunter massiv. Welche spezifischen Anforderungen stellen Sie an das Granulat?
Dr.-Ing. Braj Bhushan Prasad: Genau deshalb würden wir für eine technische Anwendung nicht einfach beliebiges Reifengranulat verwenden. Entscheidend ist weniger, von welchem Reifenhersteller das Ausgangsmaterial stammt, sondern dass die für die Dämpfung relevanten Eigenschaften des fertigen Granulats charakterisiert und innerhalb definierter Grenzen reproduzierbar sind. Ein besonders wichtiger Parameter ist die Partikelgröße – aber unsere Untersuchungen zeigen, dass die mittlere Größe allein nicht ausreicht. Ebenso entscheidend ist die Partikelgrößenverteilung. Daneben spielen Form und Oberfläche eine wichtige Rolle. Das Granulat sollte seine typische raue und unregelmäßige Struktur behalten. Dadurch entstehen viele Partikel- Partikel- und Partikel-Wand-Kontakte. Zusammen mit der viskoelastischen Verformung des Gummis tragen diese Kontakte wesentlich dazu bei, Schwingungsenergie zu dissipieren. Auch die Schüttdichte beziehungsweise das Packungsverhalten muss kontrolliert werden. Selbst bei gleichem Füllvolumen können unterschiedliche Granulate unterschiedliche Massen und Packungszustände ergeben. Damit verändert sich wiederum die Anzahl und Beweglichkeit der Partikel im Hohlraum.
Ganz wesentlich ist außerdem, dass die Partikel beweglich bleiben. Ein Partikeldämpfer funktioniert nicht nach dem Prinzip "je mehr Material, desto besser". Die Partikel benötigen Bewegungsraum, damit überhaupt Relativbewegungen, Stöße und Reibung entstehen können. Das Granulat muss seine Eigenschaften zudem unter den späteren Betriebsbedingungen ausreichend stabil behalten. Deshalb haben wir unter anderem Feuchtigkeit, Temperaturwechsel und sehr hohe zyklische Belastungen untersucht. Bei Gummigranulat zeigte Feuchtigkeit in den Untersuchungen nur einen geringen Einfluss auf die Dämpfungswirkung, während sie beispielsweise bei feinem Sand deutlich problematischer war. Für eine Serienanwendung würde man daher nicht einen bestimmten Reifenhersteller vorschreiben, sondern eine Materialspezifikation für das Granulat definieren – beispielsweise hinsichtlich Partikelgröße und Größenverteilung, Schüttdichte, Form und Oberflächencharakteristik sowie Langzeitstabilität.
Sie sagen: „Statt vibrierende Bauteile mit schweren Dämmmatten zu ummanteln, füllte das Forschungsteam Granulat aus altem Reifengummi in vorhandene Hohlräume der Leistungselektronik. Dort bewegen sich die Partikel wie Sand in einer Rassel, bremsen Schwingungen aus und verhindern, dass daraus unangenehme Geräusche werden.“ Was passiert mit dem Reifengranulat, wenn die Leistungselektronik in der Werkstatt geöffnet werden muss? Rieselt das Reifengranulat dann quasi heraus?
Dr.-Ing. Braj Bhushan Prasad: Beim Öffnen der Leistungselektronik würde den Mechatronikern das Reifengranulat nicht einfach entgegenrieseln. Das Granulat liegt nicht lose zwischen den elektronischen Komponenten. Wir nutzen gezielt die bereits vorhandenen Hohlräume auf der Innenseite des Deckels der Leistungselektronik. Bereiche, in denen sich elektronische Komponenten befinden oder Bauraum benötigt wird, bleiben vollständig frei. Der Deckel wird nur in den geometrisch verfügbaren Bereichen mit Granulat versehen. Das Granulat selbst befindet sich in einer geschlossenen Partikeldämpfer-Kavität. In unseren ersten Untersuchungen wurden die mit Reifengranulat gefüllten Bereiche mit einer sehr dünnen Kunststofffolie verschlossen. Diese hatte die Aufgabe, die Partikel sicher im Deckel einzuschließen und ein Austreten des Granulats zu verhindern.
Für die weiterführenden Untersuchungen unter realistischeren Betriebsbedingungen haben wir dieses Konzept anschließend robuster ausgeführt. In der aktuellen Arbeit wird das Granulat mit einer nur 0,15 Millimeter dünnen Stahlfolie gekapselt. Der Grund dafür ist unter anderem die höhere thermische und mechanische Belastbarkeit gegenüber der zuvor verwendeten Kunststofffolie. Diese dünne Abdeckung erfüllt interessanterweise zwei Funktionen gleichzeitig: Sie hält einerseits das Granulat sicher in seinem definierten Bereich und ist andererseits selbst Teil des Dämpfungsprinzips.
Für die Werkstatt bedeutet das konzeptionell: Der Deckel der Leistungselektronik kann weiterhin als Bauteil gehandhabt beziehungsweise demontiert werden; das Granulat bleibt dabei in seiner eigenen gekapselten Kavität im Deckel. Es kommt also nicht mit den darunterliegenden elektronischen Bauteilen in Kontakt und sollte beim normalen Öffnen der Leistungselektronik nicht herausfallen. Dabei würde ich allerdings eine wichtige wissenschaftliche Einschränkung machen: Unsere Arbeit demonstriert und validiert das Dämpfungskonzept; sie entwickelt noch kein serienreifes Werkstatt- oder Reparaturkonzept.
Gibt es bereits konkretes Interesse seitens bzw. Partnerschaften mit OEMs oder Zulieferern aus der Leistungselektronik?
Dr.-Ing. Braj Bhushan Prasad: Ja, es gibt bereits konkretes Interesse aus der Industrie, und die bisherigen Untersuchungen sind auch in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner entstanden. Dabei war uns wichtig, nicht nur an idealisierten Laborstrukturen zu arbeiten, sondern die Methode schrittweise auf eine reale Leistungselektronik und schließlich auf einen vollständigen elektrischen Antrieb unter realitätsnahen Betriebsbedingungen zu übertragen. Die Untersuchungen zeigen, dass sich der ursprünglich im Labor entwickelte Partikeldämpfer auf eine reale Power-Electronics-Module-Struktur übertragen lässt, ohne die bestehende Geometrie des Deckels grundlegend zu verändern.
Von einer unmittelbar bevorstehenden Serienanwendung würde ich zum jetzigen Zeitpunkt allerdings noch nicht sprechen. Zwischen einem erfolgreichen Forschungsdemonstrator und einem Bauteil, das in mehreren hunderttausend Fahrzeugen eingesetzt werden kann, liegt im Automobilbereich ein erheblicher Entwicklungs- und Validierungsprozess. Für eine Serienanwendung müssen beispielsweise die Langzeitbeständigkeit unter fahrzeugspezifischen Lastkollektiven, Temperaturwechsel, Fertigungs- und Montageprozesse, Bauteiltoleranzen, Wartungs- und Reparaturkonzepte sowie Kosten und Reproduzierbarkeit betrachtet werden. Unsere bisherigen Ergebnisse liefern dafür eine wichtige Grundlage, ersetzen aber noch keine vollständige automotive Serienqualifikation.
Ein besonders wichtiger nächster Schritt besteht für uns darin, die Auslegung des Partikeldämpfers stärker von einem experimentellen zu einem vorhersagbaren Entwicklungsprozess weiterzuentwickeln. Heute können wir experimentell sehr gut zeigen, dass das Prinzip funktioniert. Beispielsweise konnten wir an der realen Leistungselektronik und am elektrischen Antrieb deutliche Reduktionen der kritischen Schwingungen nachweisen. Für eine industrielle Serienentwicklung reicht es jedoch nicht aus zu wissen, dass ein Partikeldämpfer funktioniert. Ein Entwickler muss bereits am virtuellen Fahrzeug beziehungsweise Bauteil beantworten können: Wo befindet sich eine akustisch kritische Schwingungsform? Wo sollte der Dämpfer integriert werden? Wie groß sollte die Kavität sein? Welche Partikeleigenschaften und welcher Füllgrad sind dafür geeignet? Und wie viel zusätzliche Masse ist tatsächlich notwendig? Genau in diese Richtung wollen wir die Forschung nun weiterentwickeln.