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Wie bei der Reifenakustik ein Laser hilft

| Redakteur: Hendrik Härter

Die dynamischen Eigenschaften eines rotierenden Reifens lassen sich nur mit einer optischen Schwingungsanalyse ermitteln. Hersteller sollten sich deshalb ein 3D-Scanning-Vibrometer als Testinstrument genauer anschauen.

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Die dynamischen Eigenschaften eines rotierenden Reifens können mit der optischen Schwingungsanalyse ermittelt werden.
Die dynamischen Eigenschaften eines rotierenden Reifens können mit der optischen Schwingungsanalyse ermittelt werden.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Das Reifen-Fahrbahn-Geräusch ist bei niedrigen Geschwindigkeiten eine der Hauptkomponenten, wenn man die Außengeräusche von Kraftfahrzeugen betrachtet. Dabei sind es nicht nur die Antriebe von Elektrofahrzeugen, sondern auch moderne Verbrennungsmotoren, die immer leiser arbeiten. Eine EU-Verordnung regelt deshalb den maximalen Geräuschpegel für Reifen. Der tatsächliche Wert wird ebenso wie die Effizienzklasse auf dem Reifenlabel angegeben.

Hier muss man sich die Reifen genauer anschauen: Ein weicher Reifen ist leise, hat aber einen hohen Rollwiderstand und ist damit nicht effizient. Ein harter Reifen bietet gute Leichtlaufeigenschaften, ist aber deutlich lauter. Um Energie zu sparen, sind Elektroautos daher heute eher mit härteren Reifen unterwegs. Damit die Hersteller die Reifenakustik optimieren können, helfen Simulationen: Mit ihnen lassen sich wichtige Produkteigenschaften präzise gestalten und vorhersagen. Allerdings lassen sich nicht alle Parameter gleichzeitig berücksichtigen und viele sind sehr komplex. Ein Grund ist, dass Reifen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien bestehen und ihr Schwingverhalten frequenzabhängig und nichtlinear ist. Die Simulationsmodelle müssen deshalb anhand real gemessener Werte überprüft werden, um sie zu verifizieren und weiter zu verbessern. Die Analyse eines Prototyps ist also unverzichtbar und der Prüfstein in der Entwicklung jedes neuen Reifenmodells. Der Reifen muss unter Betriebsbedingungen auf dem Rollenprüfstand getestet werden.

3D-Laservibrometern arbeiten berührungslos

Dazu ist ein System erforderlich, das dreidimensionale Schwingungen erfassen kann, denn beim Abrollen des Reifens auf der Fahrbahn wird der Reifen durch die Rauigkeit seines Laufflächenprofils zu radialen und tangentialen Schwingungen angeregt. Dabei wird der Schall vorwiegend auf der Lauffläche in unmittelbarer Nähe der Auflagefläche abgestrahlt. Zwischen Reifen und Straßenoberfläche entsteht ein Schalltrichter (Horneffekt). Hier liegt die hauptsächliche Geräuschquelle. Für Messungen des drehenden Reifens eignet sich die klassische Modalanalyse mit geklebten Sensoren nicht. Entsprechende Schwingungsaufnehmer lassen sich nur an der Seitenwand des Reifens oder in seinem Inneren befestigen, nicht aber an der Lauffläche. Auch akustische Messungen mit Mikrofonen liefern nur Ergebnisse über die Abstrahlung, aber sie lassen keine Rückschlüsse darauf zu, wo und durch welche dynamischen Vorgänge der Schall entsteht.

Für den Reifenprüfstand gibt es daher keine ernstzunehmende Alternative zu 3D-Laservibrometern. Sie arbeiten berührungslos und mithilfe der Lasermesstechnik können die Schwingungen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Reifens mit hoher Auflösung an vielen Messpunkten präzise erfasst werden. Die gewonnen Daten werden dann mit der Simulation verglichen und das Modell kann entsprechend angepasst werden. Ohne die Messungen würde die Entwicklung zum Trial-and-Error-Verfahren. Da der Bau jedes Prototyps eine neue Werkzeugform erfordert, sind eingesparte Entwicklungsschritte wirtschaftlich sehr wichtig.

Laser-Doppler-Vibrometrie

Das optische Messverfahren, das die Analyse der Reifenschwingen ermöglicht, basiert auf der Laser-Doppler-Vibrometrie. Bei dieser werden aus dem von einer schwingenden Struktur zurück gestreuten Laserlicht die Schwingfrequenz und die -amplitude bestimmt. Bei einem Scanning-Vibrometer ist das Laser-Doppler-Vibrometer mit einer Scanner-Spiegel-Einheit und einer Videokamera in einem gemeinsamen Messkopf integriert. Während der Messung scannt der Laserstrahl die Lauffläche des Reifens und liefert so eine räumlich hoch aufgelöste Reihe von Einzelpunktmessungen. Diese sequenziell gemessenen Schwingungsdaten werden zu einem gemeinsamen flächenhaften Datenmodell zusammengesetzt und lassen sich dann entsprechend auswerten.

Da das Scanning-Vibrometer PSV-500-3D Xtra Schwinggeschwindigkeiten von 30 m/s verarbeitet, lässt sich das Schwingverhalten der gesamten Reifenlauffläche bei Geschwindigkeiten bis 120 km messen.
Da das Scanning-Vibrometer PSV-500-3D Xtra Schwinggeschwindigkeiten von 30 m/s verarbeitet, lässt sich das Schwingverhalten der gesamten Reifenlauffläche bei Geschwindigkeiten bis 120 km messen.
(Bild: Polytech)

Dabei definiert die optische Empfindlichkeit die Leistungsfähigkeit eines Scanning-Vibrometers. Sie bestimmt, auf welchen Oberflächen gemessen werden kann, und ist verantwortlich für den Signal-Rauschpegel, den Messabstand und damit auch für die Größe der zu scannenden Fläche. Das beim Reifenprüfstand eingesetzte 3D-Scanningvibrometer PSV-500-3D Xtra punktet: Die Grundlage für seine optische Empfindlichkeit liefert ein augensicherer Infrarotlaser (Lasersicherheit Klasse 2). Dieser erhöht sich die Menge des von der Oberfläche reflektierten Lichts, das dadurch sehr störsicher gegen Signalrauschen ist. Das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert sich im Vergleich zu anderen Scanning-Vibrometern um das Achtfache. Resonanzfrequenzen werden im Spektrum sehr deutlich sichtbar und modale Parameter sicher bestimmbar.

Durch das bessere Signal-Rauschverhältnis sinkt die Anzahl der notwendigen Mittelungen. Da das Scanning-Vibrometer Schwinggeschwindigkeiten von 30 m/s verarbeitet, lässt sich das Schwingverhalten der gesamten Reifenlauffläche bei Geschwindigkeiten bis 120 km/h messen.

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