Abschlusspräsentation

zur Diplomarbeit

Vergleichende Messungen von Außengeräuschen bei Hybrid- und

Elektrofahrzeugen

von Yann Incardona

Referent: Prof. Dr. Ing. Klaus Becker

Korreferent: Dr. Ing. Roland Sottek

auf komunaler/ regionaler Ebene

• F - City (Paris)

• ColognE-mobil (Köln)

• e - mobility (Berlin, Rhein - Ruhr, BW)

auf nationaler Ebene

• Konjunkturpaket II (Bundesregierung)

auf EU - Ebene

• CUTE (London, Hamburg, Madrid,…)

…

Mobilitätsprojekte

Geräuschminderungsprojekte

• CALM II

• QCITY & SILENCE

• City Hush

• …

Prognose der Neuzulassungen nach Antriebsarten bei Förderung einer schnelleren Modernisierung des Pkw-Bestands und Förderung der Nutzung alternativer Antriebstechniken durch die Politik.

Pkw-Bestandsveränderungen in Deutschland

Quelle: Shell, 2009

Geräuschquellenortung an Rollern

Zu klären …

• Was umfasst das aktuelle Messverfahren (nach ISO 362)?

• Welche Anforderungen stellen sich an zukünftige Messverfahren hinsichtlich der neuen Antriebskonzepte?

• Welche Besonderheiten ergeben sich mit den verschiedenen Antriebstechnologien?

• Welche sind die wesentlichen Geräuschquellen?

• Welche Fahrzyklen sind zu betrachten?

• Wie sind die Untersuchungen hinsichtlich der akustischen Lästigkeit der Außengeräusche zu gestalten?

Vorbeifahrtmessungen nach ISO 362

2 Fahrzyklen:

• Konstante Vorbeifahrt

• Beschleunigte Vorbeifahrt

Messungen:

mit 2 Mikrofonen jeweils auf den Positionen P und P´in Höhe h = 1,2 m

Auswertungen:

Maximale Schalldruckpegel in dB(A), verrechnet mit Faktoren in Abhängigkeit des Leistungsgewichts des jeweiligen Fahrzeugs

vPP´ 50 km h

awot, test 2 m s2

Anspruch an das Messverfahren

1. Grundlage für Untersuchungen zur akustischen Lästigkeit sein.

2. auf Hybrid- und Elektroantriebstechnologie abgestimmt sein

3. Vergleichbarkeit verschiedener Antriebstechnologien bieten

4. Vergleichbarkeit verschiedener Messmethoden bieten

Das Messverfahren soll:

• Profil der Fahrzyklen

• Art der Messinstrumente

• Positionen der Messinstrumente

• genutzte Messgrößen in der Auswertung

Ausreichend …?!

Antriebstechnologien Hybridfahrzeuge

Paralleler Hybridantrieb:

Auch für Mild- u. Micro-Hybride

Serieller Hybridantrieb:

Entspricht batteriebetriebenem Elektrofahrzeug mit „Range-Extender“

Quelle: Toyota Quelle: Toyota

Gemischter Hybridantrieb:

In „kombinierter“ oder „leistungsverzweigender“ Bauweise

Antriebstechnologien Hybridfahrzeuge

Betriebszustände

• rein konventioneller Antrieb

• konventioneller Antrieb + Generatorbetrieb

• elektrischer Antrieb + Generatorbetrieb

• rein elektrischer Antrieb

• „Boost“ - Betrieb

• Rekuperationsbetrieb

abhängig von:

• Grad der Hybridisierung

• Hybridvariante

• Betriebsstrategie

• Lastzustand

• Fahrgeschwindigkeit

• Batterieladezustand

• Temperatur

Quelle: Toyota

Antriebsaggregat eines Hybridfahrzeugs

Quelle: BMW

Antriebstechnologien batteriebetriebene Elektrofahrzeuge

Zentralmotor Tandemmotor Radnabenmotor

Quelle: Volvo

■♦●■♦●■♦●■♦■●●Differential

■♦●■♦●■♦●■♦■●●Getriebe

■♦●■♦●■♦●■♦■●●Reifen

■♦●■♦●■♦●■♦■●Umrichter

■♦■♦■●Generator

■♦●■♦●■♦●■♦E-Motor

■♦●■♦■●●Abgassystem

■♦●■♦■●●Ansaugsystem

■♦●■♦■●●Verbr.motor

Ger.quellenRekuperationBoostenElektrisch

Elektrisch + Generator

Konvent. + Generator

Konvent.Betr.zustände

● Paralleler Hybrid ♦ Serieller Hybrid ■Gemischter Hybrid

Wesentliche Geräuschquellen in Abhängigkeit der Betriebszustände

h Bor

dste

in

h Ohr

en

SKFZ

AKFZ - FG

BGehweg

BGehraum

BKFZ, Gm

BKFZ, Ges

BFahrstreifen

Bewegungsspielraum

Gehraum

BGrün

Richtlinien zur Straßenquerschnittsgestaltung: RAS-Q 96

3,25 m3,50 mbis 170050 - 60 km/h

2,75 m3,25 mbis 150050 - 60 km/h

2,375 m2,75 mbis 60040 - 50 km/h

AKFZ - FG

BFahrstreifen

Verkehrsbelastung

(Kfz/ h)

Geschwindigkeit

vEntwurf

Fahrzyklen für Vorbeifahrtmessungen:

• Anfahren*

• Konstante Vorbeifahrt

• bei 50 km/h (nach ISO 362)

• bei 30 km/h*

• Beschleunigte Vorbeifahrt

• auf 50 km/h bei PP´ (nach ISO 362)

• auf 30 km/h bei PP´*

• Schubbetrieb

• aus 50 km/h

• aus 30 km/h

* in für Stadtverkehr üblichen Gängen u. Fahrmodi bei Beschleunigungen zwischen 1 m/s² und 2 m/s²

Messplan für Vorbeifahrtmessungen

Nutzung von Kunstkopfmessungen:

• Berücksichtigung binauraler Effekte

in den analytischen Untersuchungen

zur akustischen Lästigkeit

• interaurale Laufzeitdifferenzen

• Abschattungen

• Beugung und Reflexion

• gehörrichtige Aufnahmen für

Hörversuche zur akustischen Lästigkeit

Positionierung der Messinstrumente:

• Abbildung urbaner Verkehrsszenarien

• Abbildung durchschnittlicher Körpergröße

ISO 362 unzureichend !!

Messplan für Vorbeifahrtmessungen

Untersuchungen zur psychoakustischen Lästigkeit

Signalanalyse:

• Berechnung des Fahrgeräuschwerts nach ISO 362 (A-gewichteter Schalldruckpegel)

• Betrachtung psychoakustischer Größen

• A-gewichteter Schalldruckpegel

• Lautheit (DIN 45631 / A1)

• Rauigkeit (Gehörmodell)

• Schärfe (Aures)

• Tonalität

• …

• Korrelationsanalysen: Werte akustischer Größen mit Ergebnissen aus Hörversuch

Hörversuche:

• Kategorialbeurteilung bzgl. Lästigkeit verschiedener Vorbeifahrtgeräuscheverschiedener Antriebstechnologien Auf Skala 1-11 (In Anlehnung ISO 15666)

• Rangfolgenbeurteilung bzgl. Lästigkeit verschiedener Vorbeifahrtgeräuscheeinzelner Fahrzeuge

Probanden:

3 weibliche (Alter: 24 – 32 Jahre)

11männliche (Alter 27 – 35 Jahre)

Erstversuch !

Schalldruckpegel und Lautheit im Vergleich (konventioneller Pkw)

N/s

one

GF

0

5

10

15

20

25

30

t/s0 0.5 1 1.5 2.5 3 3.5 4

L/dB

(A)[

SP

L]

50

55

60

65

70

75

t/s0 0.5 1 1.5 2.5 3 3.5 4

Schalldruckpegel über der Zeit (Mikrofonmessung)

L /

dB(A

)

t / s

Beschleunigte Vorbeifahrt (50 km/h)Lmax = 74,40 dB(A)

Konstante Vorbeifahrt (50 km/h)Lmax = 70,15 dB(A)

Beschleunigte Vorbeifahrt (30 km/h) Lmax = 68,44 dB(A)

Lautheit über der Zeit (Mikrofonmessung)

Beschleunigte Vorbeifahrt (50 km/h)Nmax = 33,34 sone

Konstante Vorbeifahrt (50 km/h)Nmax = 23,02 sone

Beschleunigte Vorbeifahrt (30 km/h) Nmax = 27,90 sone

N /

sone

t / s

Vergleich von Vorbeifahrtgeräuschen (konventioneller Pkw)

unterschiedlich ausgeprägte Motorordnungen

Unterschiedliche GewichtungLautheitsmodell – A-Gewichtung

Kann zum Fehlschluss führen, da sich die Reihenfolge bezüglich der Höchstwerte ändern kann !

0,560,790,390,890,83Kunstkopf bei 3 m – Maximum L/R -

0,610,720,480,890,83Kunstkopf bei 3 m - rechtes Ohr -

0,570,820,370,890,83Kunstkopf bei 3 m - linkes Ohr -

Messung

5%-Perzentile der Tonalität

10%-Perzentile der Rauigkeit

(Gehörmodell)

10%-Perzentile der Schärfe(Aures)

5%-Perzentile der Lautheit

(DIN 45631/A1)

Maximaler Schalldruckpegel(A-gewichtet)

Akustische Größe

Hybrid-Pkw vs. Konventioneller Pkw (verschiedene Fahrzyklen)

Korrelationsanalysen Kategorialbeurteilung – Signalanalyse

Hohe Korrelation der bewerteten Lästigkeit mit:

• Lautheit (DIN 45631/A1)

• A-gewichteter Schalldruckpegel

• Rauigkeit

•(Tonalität)

Bessere Abbildung der Hörwahrnehmung

Hybrid-Pkw vs. Konventioneller Pkw (verschiedene Fahrzyklen)

Hohe Übereinstimmung der Rangfolge hinsichtlich Lästigkeit und Lautheit(DIN 45631/A1)

Hohe Lästigkeit der Anfahrgeräusche bei verhältnismäßig niedriger Lautheit (DIN 45631/A1)

Bewertete Lästigkeit (Kategorialbeurteilung)

1.00 3.00 5.00 7.00 9.00 11.00

Vectra ISO WOT Gear3

Prius ISO WOT

Vectra PassBy Low Acc Gear2

Vectra Coast down 50kmh Gear2

Prius Start LoAcc

Prius Coast down 50 kmh

Vectra Start Low Acc

Prius PassBy Low Acc

Prius PassBy EVmode

Vectra const 30 kmh Gear2

Prius Start EV Mode

Prius const 30 kmh EV Mode

Lautheit vs. empfundene Lästigkeit

0123456789

101112

Vectra

ISO W

OT 3rd

Gea

r

Prius

ISO W

OT

Vectra

Pas

sBy L

oAcc

2nd

Gea

r

Vectra

Coa

stDow

n 50

kmh

2n G

ear

Prius

CoastD

own

50 km

h

Prius

PassB

y LoA

cc

Vectra

Con

st 30

kmh

2nd

Gea

r

Prius

PassB

y EV

Prius

Start

LoAcc

Vectra

Sar

t LoA

cc

Prius

Const

30km

h EV

Prius

Start E

V

Fahrzyklen

Laut

heits

-/ L

ästig

keits

grad

Lautheit (5-Perzentil)

Lästigkeit (Hörversuch)

Hybrid-Pkw vs. Konventioneller Pkw (Anfahrgeräusche)

Tonale Geräuschanteile aufgrund Elektroantriebskomponenten können zu erhöhter Lästigkeit führen

Anfahrgeräusche sind für die Beurteilung der Fahrgeräusche hinsichtlich deren Lästigkeit von hoher Bedeutung

Fazit der Untersuchungen

1. Es müssen Betriebszustände abgebildet werden, die aufgrund besonderer Antriebstechnologien im urbanen Verkehr erreicht werden können!

In einer selben Fahrsituation können mit Hybridfahrzeugen verschiedene Betriebszustände erreicht und entsprechend grundverschiedene Geräusche verursacht werden.

2. Es müssen Fahrsituationen abgebildet werden, die für die Lästigkeit von Außengeräuschen im fließenden Stadtverkehr relevant sind!

Anfahrsituationen und beschleunigte Vorbeifahrten sind hinsichtlich der Lästigkeit von besonderem Interesse.

2. Es müssen für den Stadtverkehr typische Verkehrsszenarien nachgebildet werden!

Die Annäherung der Messinstrumente an das vorbeifahrende Fahrzeug gemäß den Betrachtungen nach RAS-Q 96 führt zu einer Lautheitssteigerung von bis zu 30 %.

4. Es müssen adäquate Messinstrumente genutzt werden!

Die Kunstkopfmessungen lassen umfassende Untersuchungen zur akustischen Lästigkeit zu.

Für Außengeräuschmessungen bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist ein umfangreicheres Messverfahren notwendig als es ISO 362 bietet!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit