Akustisches Verhalten eines Autotanks Das Schwappen reduziert

Redakteur: Luca Meister

Die Akustik im Fahrzeuginnenraum hat sich in den vergangenen Jahren stetig verbessert: Insassen werden immer weniger durch Motorlärm, Fahrtwind oder rollende Reifen belastet. Doch während das Dröhnen und Pfeifen an der einen Stelle reduziert wurde, rücken andere Geräusche umso stärker ins Bewusstsein. Dazu gehört das Schwappen des Tankinhalts. Tecosim hat sich intensiv mit dieser Thematik auseinandergesetzt und im Rahmen eines ZIM-Forschungsprojekts (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) einen Ansatz zur Optimierung von Tankstrukturen und eingebauten Hindernissen entwickelt.

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Einige typische Varianten für die Anordnung von Schwallblechen im Tank, die Tecosim bei der Simulation eingesetzt hat.
Einige typische Varianten für die Anordnung von Schwallblechen im Tank, die Tecosim bei der Simulation eingesetzt hat.
(Bild: Tecosim)

mei. Schon bei einem konventionellem Fahrzeug hört man gelegentlich beim Anfahren oder Halten das Benzin gegen die Wand des Tanks schlagen. Dies nehmen Passagiere von Fahrzeugen mit Start-Stopp-Funktion oder Hybridantrieb durch die wegfallenden Motorengeräusche deutlicher wahr. Ausgangspunkt für das Projektteam war die Analyse der akustischen Eigenschaften einer beispielhaften Tankgeometrie. Dabei wurden verschiedene Parameter untersucht, darunter die Wirkung von eingebauten oder fehlenden Hindernissen, sog. Schwallblechen. Diese sollen im Tank die Bewegungsenergie des Kraftstoffs minimieren. Ausserdem wurde der Einfluss von Diesel und Benzin mit unterschiedlicher Dichte und Viskosität auf das strömungsmechanische Verhalten analysiert und das Tankschwappen mit drei verschiedenen Füllständen simuliert (100, 80 und 50 Prozent). Um das Projekts überschaubar zu halten, wurde als Szenario ein moderates Fahrverhalten mit definierter Fahrzeuggeschwindigkeit, Stärke der Bremsverzögerung und die Messzeitlänge nach dem Anhalten festgelegt. Zu Beginn des Projekts konzentrierten sich die Ingenieure auf die Strömungssimulation. Sie stellten jedoch bald fest, dass diese für eine akustische Bewertung nicht ausreichte: Es konnte zwar aufgezeigt werden, welche Varianten der Schwallbleche wirkungsvoll das Schwappen reduzieren. Das allein liess jedoch keine Aussage über das akustische Verhalten zu. Denn gleichzeitig wurde klar, dass ein starkes Schwappen nicht unbedingt mit einer hohen Geräuschentwicklung einhergeht. Dagegen schien die Tankwandstruktur selbst einen grösseren Einfluss auf die Geräuschbildung zu haben als bisher angenommen.

Dreigliedriger Ansatz

Darauf wurde die Simulation erweitert:

  • Zunächst wurde die oben erwähnte, zeitabhängige Strömungssimulation durchgeführt. Hierbei wurden die lokale Oberflächendruckverteilung und die Fluidströmung analysiert sowie Druck und Druckgradienten an den Tankwänden berechnet. Die Ergebnisse zeigten die Geschwindigkeits-, Druck- und Fluidverteilung im Tank. Die Daten wurden via Fast Fourier Transformation für die FEM-Berechnung aufbereitet.
  • Es folgte eine frequenzabhängige FEM-Berechnung: Hier analysierten die Ingenieure die Deformationen der Tankoberfläche, die sich aufgrund der Fluid-Druckschwankungen ergeben.
  • Schliesslich erfolgte eine frequenzabhängige Akustik-Analyse des Luftschalls an ausgewählten Punkten in vorgegebenem Abstand vom Tank.

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