Daimler Trucks und die Suche nach der richtigen Akustik

In der Gesetzgebung oder beim Aufstellen von Normen und Regeln helfen Grenzwerte ungemein, weil sie messbare Größen liefern, an denen sich jeder orientieren kann beziehungsweise die es einzuhalten gilt. Für die Hersteller von Nutzfahrzeugen gibt es eine Fülle solcher Vorschriften. Sie geben zum Beispiel vor, was und in welchen Mengen ein Motor ausstoßen oder wie schwer, wie lang und wie laut ein Fahrzeug sein darf.

Gerade Lärmgrenzwerte und ihre Einhaltung sind ein sensibles Thema. Damit die Lastwagen und Busse mit dem Stern diese Vorgaben erfüllen, begeben sich die Akustik-Experten von Daimler Trucks regelmäßig auf Spurensuche in der Welt des Schalls. Auf der neuen, ISO-zertifizierten Akustikmesstrecke für Nutzfahrzeuge in Münsingen erforschen sie, ob neue Modelle, Motor- oder Abgasvarianten von Actros und Co. die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte zur Geräuschemission von Fahrzeugen erfüllen. Und dazu braucht es zunächst eins: Stille.

Tests im Rauschen der Alb

Sanft strömt der Wind durch die herbstgelben Baumwipfel auf dem ehemaligen Truppenübungsplatz der Bundeswehr. Höchstens das Blöken einiger der insgesamt 25.000 Schafe, die auf dem knapp 6.500 Hektar großen Gelände auf der Schwäbischen Alb grasen, durchdringt hin und wieder die Ruhe. „Hier ist es mit etwa 35 bis 40 dB(A) Hintergrundgeräusch in der Regel so leise, dass wir auch in der Lage sind, Elektro-Lkw zu messen“, sagt Kamal Idrisi, Teamleiter Außengeräusche bei Daimler Trucks am Rande der letzten Testfahrten im Jahr 2020.

Perfekte Bedingungen also für die Daimler-Ingenieure. Noch. Denn bald wird das Wetter zu nass, kalt und unbeständig. „Bei Temperaturen unter fünf Grad Celsius sind keine Akustiktests mehr zulässig, und die sind hier auf etwa 750 Metern über Meereshöhe bald erreicht“, weiß Uwe Bickel. Der Werkstattmeister von Daimler-Trucks überwacht die speziellen Messaufbauten an den Lastwagen, wenn sie ihre Runden auf der vor kurzem eröffneten Akustikmessstrecke drehen.

Die neue Anlage besteht aus einem rund 500 Meter langen, teilweise beheizbaren Asphaltstreifen mit zwei Wendekreisen, weiteren 250 Metern Anlaufstrecke, einem Parkplatz und einer Messwarte. Der Asphalt ist nach ISO 10844 zertifiziert, seine Qualität wird alle zwei Jahre kontrolliert. In Kanälen unter der Straße liegen kilometerlange Verbindungskabel zum Anschluss von Wetterstation, Lichtschranken und Mikrofonen sowie weiteren Messkomponenten. „Das ist ein großer Vorteil gegenüber unserer vorherigen Strecke, wo wir vor jedem Testlauf immer die komplette Technik aufbauen mussten. Hier ist alles vorinstalliert. Und durch die Flächenheizung können wir immer auf einer trockenen Fahrbahn messen, die den rechtlichen Vorgaben entspricht“, so Idrisi, der für Daimler Trucks viele Jahre in China tätig war und dort beim Joint-Venture-Partner Beijing Foton Daimler Automotive (BFDA) bereits ein Testcenter mit aufgebaut hat.

Mit Phase 3 wird es noch leiser

Bei den Typprüfungen für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor nach UN/ECE 51.03-Norm stehen zwei hochsensible Mikrofone siebeneinhalb Meter links und rechts neben der Fahrspur in der Mitte des Messbereichs. Dort darf der jeweilige Grenzwert, der abhängig ist von Fahrzeugtyp und Leistung, nicht überschritten werden. Die einzuhaltende ECE-Norm ist weltweit weitestgehend harmonisiert – vereinzelt gibt es weniger strenge Grenzwerte. Sie gilt seit 2016 und ist in drei Phasen aufgeteilt: In der aktuellen Phase 2 dürfen schwere Lkw über 250 kW Leistung bei einer Vorbeifahrt nicht lauter sein als 81 Dezibel. Für leichteren Verteilerverkehr bis 135 kW gelten aktuell 75 dB(A). Ab Phase 3, die voraussichtlich ab 2026 in Kraft treten soll, wären nur noch 79 bzw. 74 dB(A) erlaubt. „Wenn diese Werte in der TÜV-Abnahme nicht eingehalten werden, dürfen wir den Lkw de facto nicht verkaufen“, macht Idrisi die wirtschaftlichen Konsequenzen deutlich.

Entsprechend der ECE-Norm messen die Ingenieure eine „beschleunigte Vorbeifahrt“. Dazu fährt der beladene Lkw – bei den Tests durch ein Gewicht auf der Hinterachse simuliert – mit konstanter Drehzahl und Geschwindigkeit auf den Messbereich zu. Ab einer ersten Linie beschleunigt der geschulte Fahrer, und zwar über eine Strecke von 20 Meter plus Fahrzeuglänge. Bei Ausfahrt aus dem Messbereich muss der Truck die gesetzlich geforderte Geschwindigkeit von etwa 35 km/h erreichen. „Das Manöver ist nicht ganz einfach. Der Fahrer muss schon bei der Einfahrt seine Ausgangsgeschwindigkeit genau abschätzen“, erklärt Bickel.

Das Testszenario soll eine Verkehrssituation im Innenstadtbereich widerspiegeln. Also dort, wo Passanten und Anwohner vielen Schallquellen, einem „Urban Noise Setting“, ausgesetzt sind. Neben der beschleunigten Vorbeifahrt gibt es noch weitere Messungen, etwa zur Geräuschentwicklung der Motorbremse oder der Druckluftanlage. Sämtliche TÜV-Abnahmen erfolgen „open air“ in Münsingen.

Messwarte wird zum Hörsaal

Über Lautsprecher wird das Fahrzeuggeräusch in die Messwarte übertragen, deren Fensterfront zur Messtrecke hin in einem flachen Winkel angeordnet ist, um mögliche Schallreflektionen abzuleiten. Denn auch das ist eine Norm-Vorschrift: Im Umkreis von 50 Metern zu den Mikrofonen darf es zu keinen Reflexionen kommen. Noch bevor die Daten digital ausgewertet werden, hört Maschinenbau-Ingenieur Christian Richter in seinem „kleinen Hörsaal“ erst einmal ganz genau hin. „Der Job bringt es mit sich, dass das Gehör trainiert wird. Wenn es irgendwo klappert, habe ich meistens schon eine Ahnung, wo der Ursprung des Geräuschs sein könnte. Oder man erkennt es anhand der Frequenzen. Ein Körperschall durch eine mechanische Verzahnung klingt anders als eine Resonanz oder ein Strömungsrauschen.“

In jeder Projektphase an Bord

Kurz vor einer TÜV-Abnahme machen nur noch die zarten Zwischentöne die Musik. Die Messtrecke in Münsingen kommt aber schon zum Einsatz, wenn sich das Orchester noch einspielt. Denn jedes Fahrzeug wird bereits in seiner Entwicklung von den Akustikexperten begleitet. „Wir sind bei allen Projektphasen an Bord und überprüfen, ob die Entwicklungsstände gesetzeskonform sind“, erklärt Idrisi, der für die US-Weltraumagentur NASA über die Innengeräusche von Flugzeugen promoviert hat.

Überschreitet ein Fahrzeug bei den Tests einen Grenzwert, setzen die Ingenieure Techniken wie Frequenzanalysen, Schallortung oder Kapselungen von Teilschallquellen ein. „So können wir herausfiltern, ob zum Beispiel der Antriebsstrang die Quelle des Störgeräusches ist“, beschreibt Idrisi. Die Ergebnisse werden dann an die zuständige Entwicklungsabteilung übermittelt und gemeinsam wird nach möglichen Lösungen gesucht.

Ein Bild aus Tönen

Und auch nachdem die Modelle bereits durch den TÜV abgenommen sind, müssen die Lastwagen trotzdem immer wieder auf die Akustik-Messstrecke. Zum Beispiel, weil neue Motorvarianten, neue Abgasanlagen oder ein Face-Lifting eingeführt werden. Sogar Änderungen in der Steuerungssoftware können zu anderen Schallwerten führen. „Wir testen dann meist mit den Ecktypen wie zum Bespiel einer Sattelzugmaschine mit kurzem Radstand und kurzem Fahrerhaus, die akustisch kritischer ist als das Standardmodell“, so Bickel.

Bei der Verfolgung der Schallquellen kommt anstatt zweier Mikrofone ein sogenanntes akustisches Array zum Einsatz. Dabei handelt es sich um ein Schallortungssystem mit insgesamt 42 Mikrofonen, die in einem Halbkreis angeordnet sind. Sobald ein Lkw an dem Array vorbeigefahren ist, übersetzt eine Software die Signale der einzelnen Mikrofone in ein digitales 3D-Modell. Die für Laien komplexe Darstellung bringt die Schallprofis schnell auf die richtige Fährte. „Mit der Schallortung können wir der Geräuschquelle recht genau nachspüren“, sagt Christian Richter.

Mach mal laut!

Vor gänzlich umgedrehten Vorzeichen stehen die Ingenieure neuerdings bei Elektrofahrzeugen. Denn bei Elektro-Lkw geht es vor allem darum sicherzustellen, dass die Fahrzeuge im Fahrbetrieb laut genug sind, um von Fußgängern und anderen Verkehrsteilnehmern rechtzeitig wahrgenommen zu werden. Deshalb müssen E-Fahrzeuge ein Geräuschminimum überschreiten. Die Grenzwerte hierzu stehen in der UN/ECE Richtlinie 138 über „Künstliche Geräusche geräuscharmer Fahrzeuge“: Bei 10 km/h liegt der Wert bei 53 Dezibel, bei 20 km/h müssen 59 dB(A) erreicht werden. Höhere Geschwindigkeiten werden nicht bewertet, da hier wieder Abroll- oder Windgeräusche dominieren. Außerdem wird eine Rückwärtsfahrt mit 6 km/h gemessen, die mindestens 50 dB(A) erreichen muss. „Die Mikrofone stehen bei den TÜV-Abnahmen der Elektrofahrzeuge nur zwei Meter neben der Fahrspur. Das ist im Rückwärtsgang schon nicht so einfach zu durchfahren“, sagt Werkstattmeister Bickel. Auch wird bei konstanten Geschwindigkeiten und nicht in der Beschleunigung gemessen, da bei Elektro-Lkw nicht die Lärmbelästigung im Vordergrund steht, sondern die Sicherheit im Straßenverkehr.

Falls die in der Richtlinie angegebenen Werte nicht erreicht werden, muss der Elektro-Lkw mit einem Acoustic Vehicle Alert System, kurz AVAS, ausgestattet werden. Die Verordnung formuliert sehr detaillierte Rahmenbedingungen, wie ein AVAS-Sound klingen darf und wie nicht. Dies gilt zum Beispiel für die Mindest- und Maximallautstärke sowie für bestimmte Geräuschanteile.

„Die Akustik unserer Fahrzeuge ist enorm wichtig für deren Wahrnehmung“, betont Kamal Idrisi und meint damit sowohl Außen- als auch Innengeräusche. „Das wird häufig unterschätzt, aber ein Lkw-Fahrer, der in einem ruhigen Cockpit sitzt, fühlt sich wohler, hat weniger Stress, ist entspannter – und fährt sicherer.“