Model-based NVH optimization of a tractor drivetrain during different phases of a design adaption

Abstract

The modern, ever shorter development process of powertrains incorporates many disciplines of mechanical engineering. Among these, the dynamic and acoustic behavior—which is often referred to as noise, vibration, harshness (NVH)—is becoming increasingly important for the consumer’s purchase decision. However, NVH is often only considered in the last steps of the product development as both experimental analysis methods and high-fidelity modeling approaches are time-consuming. In contrast, in early phases of the development process, fast iteration cycles are crucial. Thus, the engineer needs appropriate NVH models for each phase of the development process in order to evaluate design and concept decisions with respect to their NVH implications.

This publication shows a methodological guide on how to apply suitable NVH models forward directed in different stages of the development process and thus efficiently implement optimizations. In the early, highly iterative phases of the development process, analytical determination of the excitation behavior as well as simplified finite element simulations are carried out in order to estimate the vibration behavior of the concept. For the first elaborated geometries, frequency response functions can then be determined and thus the influence of e.g. ribbings to NVH behavior can be evaluated. In the later phases, where advanced simulation models have to be set up, a fully parameterized eMBS model of the drivetrain enables an analysis of its operating behavior, from which further optimization potential of the system can be derived. The proposed method is demonstrated on the example of a tractor transaxle development process.

Zusammenfassung

Der moderne, immer kürzer werdende Entwicklungsprozess von Antriebssträngen umfasst viele Disziplinen des Maschinenbaus. Unter anderem wird das dynamische und akustische Verhalten – oft auch als Noise, Vibration, Harshness (NVH) bezeichnet – immer wichtiger für die Kaufentscheidung des Verbrauchers. NVH wird jedoch oft erst in den letzten Schritten der Produktentwicklung berücksichtigt, da sowohl experimentelle Analysemethoden als auch High-Fidelity-Modellierungsansätze zeitaufwendig sind. In frühen Phasen des Entwicklungsprozesses hingegen sind schnelle Iterationszyklen entscheidend. Daher benötigt der Ingenieur für jede Phase des Entwicklungsprozesses geeignete NVH-Modelle, um Design- und Konzeptentscheidungen hinsichtlich ihrer NVH-Implikationen zu bewerten. Diese Publikation zeigt einen methodischen Leitfaden, wie sich geeignete NVH-Modelle in verschiedenen Phasen des Entwicklungsprozesses anwenden lassen und somit Optimierungen effizient umgesetzt werden. In den frühen, stark iterativen Phasen des Entwicklungsprozesses werden analytische Ermittlungen des Anregungsverhaltens sowie vereinfachte Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, um das Schwingungsverhalten des Konzepts abzuschätzen. Für die ersten ausgearbeiteten Geometrien können dann Übertragungsfrequenzgänge bestimmt und damit der Einfluss von z.B. Verrippung bis hin zum NVH-Verhalten ausgewertet werden. In späteren Phasen, in denen fortgeschrittene Simulationsmodelle aufgebaut werden müssen, ermöglicht ein vollständig parametrisiertes eMBS-Modell des Antriebsstrangs eine Analyse seines Betriebsverhaltens, aus der weitere Optimierungspotentiale des Systems abgeleitet werden können. Das vorgeschlagene Verfahren wird am Beispiel eines Traktortransaxle-Entwicklungsprozeses demonstriert.