DE102011120970A1

DE102011120970A1 - Faserverstärktes Verbundbauteil und Verfahren zur konstruktiven Auslegung eines akustikgerechten faserverstärkten Verbundbauteils

Info

Publication number: DE102011120970A1
Application number: DE102011120970A
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Metzler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur konstruktiven Auslegung eines akustikgerechten faserverstärkten Verbundbauteils (10, 16), insbesondere eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils für einen Kraftwagen, mit den Schritten: Einleiten von zumindest einer Anregung mit wenigstens einer Anregungsfrequenz (f1, f2, f3) und wenigstens einer Anregungsamplitude an einer vorgebbaren Anregungsposition (14, 22) des faserverstärkten Verbundbauteils (10, 16); Ermitteln von aus der Anregung resultierenden, ein Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils (10, 16) charakterisierenden Schwingungsamplituden; und Vorsehen von zumindest einer lokalen Materialverdickung (12, 20) an dem faserverstärkten Verbundbauteil (10, 16) in Abhängigkeit von wenigstens einer der Schwingungsamplituden, welche einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein mit einem solchen Verfahren konstruktiv ausgelegtes faserverstärktes Verbundbauteil (10, 16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur konstruktiven Auslegung eines akustikgerechten faserverstärkten Verbundbauteils und ein faserverstärktes Verbundbauteil.
Elemente eines Kraftwagens, insbesondere großflächige Elemente wie beispielsweise Bodenbleche, Dachbleche, Motorhauben oder dergleichen neigen aufgrund ihrer geringen Eigenstabilität dazu, sich während des Betriebs des Kraftwagens zu deformieren, zu schwingen und zu vibrieren, vor allem, wenn diese Elemente an einer oder mehreren Anregungspositionen mittels einer Kraft- oder Weganregung mit verschiedensten Anregungsfrequenzen und Anregungsamplituden angeregt werden. Unter anderem können sich solche Schwingungen negativ auf die akustischen Eigenschaften dieser Elemente selbst und des gesamten Kraftwagens auswirken, welche beispielsweise von Fahrzeuginsassen als störend empfunden werden können. Daher gibt es vielfältige Bestrebungen, das Schwingungsverhalten solcher Elemente derart anzupassen, dass von diesen ausgehende Geräuschemissionen möglichst reduziert werden.
Die EP 09 34180 B2 offenbart ein Montagepaket, welches an einem flächigen Fahrzeugteil angebracht werden kann. Das Montagepaket umfasst mehrere Schichten, welche eine entsprechende Dämpfungs- bzw. Versteifungsfunktion erfüllen. Solche Montagepakete können an verschiedensten Fahrzeugteilen zur Lärmreduktion bzw. zur Lärmdämpfung angeordnet werden, um Schwingungen an dem jeweiligen Fahrzeugteil zu dämpfen und Schallemissionen zu dämmen bzw. zu absorbieren.
Nachteilig hierbei ist allerdings, dass diese Montagepakete zusätzlich an Fahrzeugteilen angebracht werden müssen, wodurch unter anderem ein erhöhter Montageaufwand entsteht. Insbesondere bei Fahrzeugteilen, welche als faserverstärkten Verbundbauteile, beispielsweise als kohlefaserverstärkte Kunststoffbauteile, ausgebildet sind, wird der durch den Einsatz dieser Faserverbundwerkstoffe gewonnene Gewichtsvorteil zum Teil oder gänzlich durch das Anbringen solcher Montagepakete wieder zunichtegemacht.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur konstruktiven Auslegung eines akustikgerechten faserverstärkten Verbundbauteils sowie ein entsprechendes faserverstärktes Verbundbauteil bereitzustellen, durch die ein verbessertes Schwingungsverhalten im Hinblick auf die akustischen Eigenschaften solcher faserverstärkten Verbundbauteile erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur konstruktiven Auslegung eines akustikgerechten faserverstärkten Verbundbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein faserverstärktes Verbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur konstruktiven Auslegung eines akustikgerechten faserverstärkten Verbundbauteils, insbesondere eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils für einen Kraftwagen, zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

– Einleiten von zumindest einer Anregung mit wenigstens einer Anregungsfrequenz und wenigstens einer Anregungsamplitude an einer vorgebbaren Anregungsposition des faserverstärkten Verbundbauteils;
– Ermitteln von aus der Anregung resultierenden, ein Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils charakterisierenden Schwingungsamplituden; und
– Vorsehen von zumindest einer lokalen Materialverdickung an dem faserverstärkten Verbundbauteil in Abhängigkeit von wenigstens einer der Schwingungsamplituden, welche einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.

Zudem ist gemäß Patentanspruch 10 ein faserverstärktes Verbundbauteil, insbesondere faserverstärktes Kunststoff-Bauteil für einen Kraftwagen, vorgesehen, wobei das faserverstärkte Verbundbauteil an zumindest einer vorgebbaren Position wenigstens eine lokale Materialverdickung aufweist, wodurch bei Einleitung von zumindest einer vorgebbaren Anregung mit wenigstens einer Anregungsfrequenz und wenigstens einer Anregungsamplitude an einer vorgebbaren Anregungsposition des faserverstärkten Verbundbauteils zumindest einige ein entsprechendes Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils charakterisierende Schwingungsamplituden einen Wert unterhalb eines jeweilig vorgebbaren Schwellenwerts aufweisen.
Während also gemäß der EP 09 34180 B2 vorgesehen ist, an Kraftfahrzeugelementen schwingungsmindernde – und somit deren akustisches Verhalten beeinflussende – Versteifungs- und/oder Dämpfungselemente anzubringen, ist es demgegenüber erfindungsgemäß vorgesehen, an einem faserverstärkten Verbundbauteil bereits während der konstruktiven Auslegung an entsprechenden Stellen lokale Materialverdickungen vorzusehen, sodass vorgegebene Schwellenwerte für Schwingungsamplituden an dem faserverstärkten Verbundbauteil von vorne herein verhindert bzw. entsprechend reduziert werden können.
Somit ist ein verbessertes Verfahren zur konstruktiven Auslegung eines akustikgerechten faserverstärkten Verbundbauteils geschaffen, da das akustische Verhalten und das Schwingungsverhalten eines solchen faserverstärkten Verbundbauteils beeinflussende Dämpfungs- und/oder Versteifungselemente in Form der lokalen Materialverdickungen bereits während der konstruktiven Auslegung des faserverstärkten Verbundbauteils an entsprechenden Stellen vorgesehen werden, sodass das faserverstärkte Verbundbauteil selbst bereits akustisch und schwingungstechnisch optimiert ausgelegt ist. Mit anderen Worten werden auf Basis eines zu erwartenden Last- bzw. Anregungskollektivs des faserverstärkten Verbundbauteils bereits in der konstruktiven Auslegung Versteifungs- und/oder Dämpfungselemente als integraler Bestandteil eines solchen faserverstärkten Verbundbauteils vorgesehen. Eine nachträgliche montageaufwändige Anbringung von Versteifungs- und/oder Dämpfungselementen kann somit an einem solchen faserverstärkten Verbundbauteil entfallen. Zudem kann ein solches faserverstärktes Verbundbauteil akustisch optimiert und gewichtsoptimiert ausgelegt werden, sodass dieses ein möglichst geringes Gewicht bei gleichzeitiger Erfüllung der akustischen Eigenschaften mit sich bringt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zumindest eine lokale Materialverdickung an der wenigstens einen vorgebbaren Anregungsposition des faserverstärkten Verbundbauteils vorgesehen. Dadurch kann ein Bereich des faserverstärkten Verbundbauteils von vorneherein versteift und/oder mit einer Dämpfung versehen werden, an welcher beim späteren Einsatz des faserverstärkten Verbundbauteils eine Anregung, beispielsweise in Form einer Kraft- oder Weganregung eingeleitet wird. Infolgedessen können sich unerwünschte Schwingungen in dem faserverstärkten Verbundbauteil erst gar nicht oder nur vermindert ausbreiten, sodass unerwünschte akustische Geräuschemissionen, welche von dem faserverstärkten Verbundbauteil ausgehen, ebenfalls wirkungsvoll reduziert und/oder vermieden werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Mehrzahl von ringförmigen lokalen Materialverdickungen an dem faserverstärkten Verbundbauteil konzentrisch um die wenigstens eine vorgebbare Anregungsposition angeordnet vorgesehen. Insbesondere bei einer punktförmigen Anregung des faserverstärkten Verbundbauteils breiten sich Schwingungen kreisförmig ausgehend von dem Anregungspunkt radial nach außen wandernd aus. Durch ein gezieltes Vorsehen von ringförmigen lokalen Materialverdickungen, welche konzentrisch um die Anregungsposition angeordnet werden, kann das Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils genau an den Stellen modifiziert bzw. angepasst werden, an welchen die größten Schwingungsamplituden erwartet werden. Dies trägt ebenfalls dazu bei, unerwünschte Geräuschemissionen eines solchen faserverstärkten Verbundbauteils während des Betriebs zu dämpfen bzw. zu reduzieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die ringförmigen lokalen Materialverdickungen mit einem radialen Abstand voneinander angeordnet vorgesehen werden, welcher einem Viertel der Wellenlänge einer vorgebbaren Anregungsfrequenz entspricht. Mit anderen Worten werden genau an den Stellen des faserverstärkten Verbundbauteils die lokalen Materialverdickungen vorgesehen, an welchen zum einen die größten Schwingungsamplituden zu erwarten sind und zum anderen an denjenigen Stellen, an welchen die Knotenpunkte einer bestimmten Schwingungsform oder Eigenform zu erwarten sind. Dies kann beispielsweise besonders sinnvoll sein, wenn eine bestimmte Anregungsfrequenz im Betrieb des faserverstärkten Verbundbauteils dominierend ist, sodass die lokalen Materialverdickungen insbesondere auf diese dominante Anregungsfrequenz abgestimmt angeordnet werden. Dies trägt ebenfalls dazu bei, das Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils derart zu beeinflussen, dass die von diesem ausgehenden akustischen Geräuschemissionen reduziert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die ringförmigen lokalen Materialverdickungen mit einem unterschiedlichen radialen Abstand voneinander angeordnet vorgesehen. Dadurch kann ein Anregungskollektiv mit einer Vielzahl von Anregungsfrequenzen abgedeckt werden, da die ringförmigen lokalen Materialverdickungen mit solchen radial Abständen voneinander angeordnet werden, dass diese für unterschiedliche Anregungsfrequenzen an den Stellen des faserverstärkten Verbundbauteils positioniert sind, an welchen sie eine besonders gute dämpfende und/oder versteifende Wirkung haben, sodass die Schwingungen des faserverstärkten Verbundbauteils effektiv gemindert werden können. Dies trägt vor allem dazu bei, im Falle breitbandiger Anregungen des faserverstärkten Verbundbauteils ein Schwingungsverhalten mit möglichst geringen Geräuschemissionen zu erzielen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine Mehrzahl von mäanderförmigen lokalen Materialverdickungen an dem faserverstärkten Verbundbauteil konzentrisch um die wenigstens eine vorgebbare Anregungsposition angeordnet vorgesehen werden. Dadurch wird in radialer Richtung ein relativ großer Bereich des faserverstärkten Verbundbauteils mit lokalen Materialverdickungen versehen, infolgedessen besonders breitbandige Anregungsfrequenzen in dem faserverstärkten Verbundbauteil entsprechend gedämpft bzw. reduziert werden können, sodass auch in einem solchen Fall eine gute Reduzierung unerwünschter Geräuschemissionen erzielt werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass strahlförmige lokale Materialverdickungen an dem faserverstärkten Verbundbauteil radial von der zumindest einen vorgebbaren Anregungsposition ausgehend angeordnet vorgesehen werden. Dies trägt ebenfalls zu einer relativ breitbandigen Versteifung und Dämpfung des faserverstärkten Verbundbauteils bei, sodass unerwünschte Geräuschemissionen gedämpft werden können.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die lokale Materialverdickung mittels einer Anhäufung von Matrixharz und/oder Fasern ausgebildet wird. Dadurch kann auf einfache Weise während der Herstellung des faserverstärkten Verbundbauteils eine entsprechende lokale Materialverdickung an einer gewünschten Position ausgebildet werden, wobei durch Variation der Anteile von Matrixharz und Fasern die Dämpfungs- und/oder Steifigkeitseigenschaften der lokalen Materialverdickung bedarfsgerecht eingestellt werden können, sodass eine möglichst gute Schwingungsdämpfung und somit auch eine möglichst gute akustische Dämpfung des faserverstärkten Verbundbauteils erzielt werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Bestimmen des Schwingungsverhaltens mittels einer Simulation erfolgt. Mit anderen Worten wird die konstruktive Auslegung des akustikgerechten faserverstärkten Verbundbauteils nicht oder zumindest nicht ausschließlich mittels Versuchen durchgeführt. Stattdessen wird die Aufbringung eines Anregungskollektivs bestehend aus einer Anregungsfrequenz und einer Anregungsamplitude an einer bestimmten Anregungsposition des faserverstärkten Verbundbauteils mithilfe einer Simulation erprobt, bei der das Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils und die des Schwingungsverhalten charakterisierenden Schwingungsamplituden ermittelt werden. Dadurch können auf einfache Weise eine Vielzahl verschiedener Anregungskollektive bzw. Lastkollektive an einem zunächst initial ausgelegten faserverstärkten Verbundbauteil getestet werden. Weiterhin ist es denkbar, dass die Simulation zusätzlich noch mit einem Optimierungsalgorithmus gekoppelt wird, in welchem in Form eines Zielfunktionals Schwellenwerte für das Schwingungsverhalten, der Schwingungsamplituden und ggf. auch der erlaubten Geräuschemissionen des faserverstärkten Verbundbauteils aufgeführt werden. Das Vorsehen der lokalen Materialverdickungen kann somit in einer iterativen Optimierungs- und Simulationsschleife erfolgen, wodurch eine Vielzahl verschiedener konstruktiver Auslegungen des faserverstärkten Verbundbauteils auf einfache Weise und zunächst auch ohne Versuche ermittelt werden kann. Die konstruktive Auslegung des faserverstärkten Verbundbauteils kann dadurch kosteneffizient und unter Berücksichtigung verschiedenster Anregungskollektive erfolgen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die nachstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Draufsicht eines flächigen faserverstärkten Verbundbauteils mit zwei ringförmigen konzentrisch angeordneten lokalen Materialverdickungen und einer kreisförmigen, im Zentrum des faserverstärkten Verbundbauteils angeordneten lokalen Materialverdickung;
2 eine schematische Schnittansicht des in 1 gezeigten faserverstärkten Verbundbauteils, wobei lediglich eine Hälfte des faserverstärkten Verbundbauteils dargestellt ist;
3 eine schematische Draufsicht eines plattenförmigen faserverstärkten Verbundbauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einer Mehrzahl von mäanderförmigen lokalen Materialverdickungen, welche konzentrisch um eine im Zentrum des faserverstärkten Verbundbauteils angeordnete kreisförmige lokale Materialverdickung angeordnet sind;
4 eine schematische Draufsicht eines plattenförmigen faserverstärkten Verbundbauteils gemäß einer dritten Ausführungsform mit einer Mehrzahl von ringförmigen lokalen Materialverdickungen, welche mit einem unterschiedlichen radialen Abstand voneinander konzentrisch um eine im Zentrum des faserverstärkten Verbundbauteils angeordnete kreisförmige lokale Materialverdickung angeordnet sind;
5 eine schematische Draufsicht eines plattenförmigen faserverstärkten Verbundbauteils gemäß einer vierten Ausführungsform, wobei das Verbundbauteil an einem Ende eine durchgängige Schweißnaht aufweist und mit zwei bogenförmigen voneinander beabstandet angeordneten lokalen Materialverdickungen versehen ist; und in
6 eine schematische Schnittansicht des in 5 gezeigten faserverstärkten Verbundbauteils.
1 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein flächiges faserverstärktes Verbundbauteil. Bei dem faserverstärkten Verbundbauteil 10 kann es sich insbesondere um ein faserverstärktes Kunststoff-Bauteil für einen Kraftwagen handeln, beispielsweise um ein großflächiges Fahrzeugteil in Form eines Bodenblechs, eines Dachblechs, einer Motorhaube, eines Kofferraumdeckels, einer Stirnwand, einer Tür oder einer Seitenverkleidung. Im vorliegenden Fall weist das faserverstärkte Verbundbauteil 10 drei lokale Materialverdickungen 12 auf, wobei eine lokale Materialverdickung 12 eine kreisförmige Grundfläche aufweist und an einer im Folgenden näher beschriebenen Anregungsposition 14 auf dem faserverstärkten Verbundbauteil 10 angeordnet ist. Die beiden weiteren lokalen Materialverdickungen 12 sind als eine ringförmige lokale Materialverdickungen 12 an dem faserverstärkten Verbundbauteil 10 ausgebildet und konzentrisch um die an der Anregungsposition 14 des faserverstärkten Verbundbauteils 10 befindliche lokale Materialverdickung 12 angeordnet.
Die Anregungsposition 14 des faserverstärkten Verbundbauteils 10, die von den Materialverdickungen 12 der 1 konzentrisch umgeben wird, kann insbesondere ein Bauteilbereich sein, an welchem das faserverstärkte Verbundbauteil 10 im eingebauten Zustand an einem Kraftwagen und während des Betriebs des Kraftwagens an ein weiteres Bauteil des Kraftwagens gekoppelt ist und an dieser Anregungsposition 14 eine Anregung mit unterschiedlichen Anregungsfrequenzen und unterschiedlichen Anregungsamplituden erfährt. Bei einer Anregung des faserverstärkten Verbundbauteils 10, beispielsweise in Form einer translatorischen Auslenkung der Anregungsposition 14 orthogonal zu der in 1 dargestellten Ebene des faserverstärkten Verbundbauteils 10, wird des faserverstärkte Verbundbauteil 10 zu Schwingungen angeregt. Bei einer solchen im Wesentlichen punktförmigen Anregung breiten sich innerhalb des faserverstärkten Verbundbauteils 10 die Schwingungen im Wesentlichen wellenförmig – ausgehend von der Anregungsposition 14 nach radial außen – aus. In Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des faserverstärkten Verbundbauteils 10, beispielsweise dessen Materialverteilung und Beschaffenheit, weist das faserverstärkte Verbundbauteil 10 ein spezifisches Schwingungsverhalten auf. Das Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils 10 kann insbesondere durch sein Eigenfrequenzspektrum charakterisiert werden. Bei einer Anregung des faserverstärkten Verbundbauteils 10 mit einer der Eigenfrequenzen treten an dem faserverstärkten Verbundbauteil 10 besonders große Schwingungsamplituden auf, welche in Abhängigkeit von der Dämpfung des faserverstärkten Verbundbauteils 10 sogar zu dessen Zerstörung führen können. Insbesondere in den Fällen einer Anregung des faserverstärkten Verbundbauteils mit einer der Eigenfrequenzen und den daraus resultierenden großen Schwingungsamplituden werden besonders starke Geräuschentwicklungen und Geräuschemissionen des faserverstärkten Verbundbauteils 10 initiiert.
Um solchen großen Schwingungsamplituden entgegenzuwirken, sind an dem faserverstärkten Verbundbauteil 10 die hier dargestellten lokalen Materialverdickungen 12 vorgesehen. Bei diesen lokalen Materialverdickungen 12 handelt es sich im Wesentlichen um Materialanhäufungen, wobei an diesen Stellen gezielt zusätzliche Masse vorgesehen ist, welche einen dämpfenden und/oder steifigkeitserhöhenden Effekt aufweist. Durch das Vorsehen solcher lokalen Materialverdickungen 12 kann das Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundteils 10 im Gegensatz zu einer Ausführung ohne diese lokalen Materialverdickungen 12 derart verbessert werden, dass bei gewissen Anregungsfrequenzen die auftretenden Schwingungsamplituden an dem faserverstärkten Verbundbauteil 10 unterhalb eines vorgebbaren Schwellenwerts verbleiben. Dadurch werden von dem angeregten faserverstärkten Verbundbauteil 10 ausgehende Geräuschemissionen vermindert. Zum einen werden die lokalen Materialverdickungen 12 beispielsweise an solchen Stellen des faserverstärkten Verbundbauteils 10 vorgesehen, an welchen in Abhängigkeit von einer jeweiligen Anregungsfrequenz besonders große Schwingungsamplituden zu erwarten sind. Zum anderen kann es ebenfalls zweckmäßig sein, die lokale Materialverdickung 12, wie im vorliegenden Fall gezeigt, direkt an und um die Anregungsposition 14 anzuordnen, wodurch bereits eine Einleitung der Schwingungen in das faserverstärkte Verbundbauteil 10 reduziert werden kann. Insgesamt dienen die lokalen Materialverdickungen 12 also dazu, flächenbezogene Eigenresonanzen des faserverstärkten Verbundbauteils 10 zu dämpfen.
In 2 ist das faserverstärkte Verbundbauteil 10 der 1 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt, wobei jedoch nur eine Hälfte des in 1 gezeigten faserverstärkten Verbundbauteils 10 dargestellt ist. Aus dieser Darstellung wird ersichtlich, dass die ringförmigen lokalen Materialverdickungen 12 wulstartig ausgebildet und konzentrisch um die im Zentrum bzw. um die Anregungsposition 14 ausgebildete lokale Materialverdickung 12 angeordnet sind. Die Radien der ringförmigen Materialverdickungen unterscheiden sich um λ/4, wobei λ die Frequenz der Eigenfrequenz (bzw. einer dominanten Eigenfrequenz) des Bauteils 10 entspricht, die bei den in Anregungsposition 14 eingeleiteten Schwingungen angeregt wird.
Das faserverstärkte Verbundbauteil 10 zeichnet sich somit dadurch aus, dass es an zumindest einer vorgebbaren Position wenigstens eine lokale Materialverdickung 12 aufweist, wodurch bei Einleitung von zumindest einer vorgebbaren Anregung mit wenigstens einer Anregungsfrequenz und wenigstens einer Anregungsamplitude an einer vorgebbaren Anregungsposition 14 des faserverstärkten Verbundbauteils 10 sämtliche ein entsprechendes Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils 10 charakterisierende Schwingungsamplituden einen Wert unterhalb eines jeweilig vorgebbaren Schwellenwerts aufweisen.
Ein Verfahren zur konstruktiven Auslegung eines solchen akustikgerechten faserverstärkten Verbundbauteils 10 wird nachfolgend beschrieben. Des faserverstärkte Verbundbauteil 10 wird zunächst unter Berücksichtigung der an dieses gestellten Anforderungen konstruktiv ausgelegt. Je nach Verwendungszweck des faserverstärkten Verbundbauteils 10, beispielsweise als Bodenblech, Dachblech, Motorhaube, Kofferraumdeckel, Stirnwand, Seitenverkleidung oder dergleichen, sind unterschiedliche Anregungen des faserverstärkten Verbundbauteils 10 zu erwarten. In Abhängigkeit des späteren Einsatzbereichs des faserverstärkten Verbundbauteils 10 wird ein Anregungskollektiv, welches unterschiedliche Anregungsfrequenzen und Anregungsamplituden umfassen kann, definiert, auf das hin das faserverstärkte Verbundbauteil 10 akustikgerecht ausgelegt wird.
Zur konstruktiven Auslegung des faserverstärkten Verbundbauteils 10 unter akustischen Gesichtspunkten wird sich idealerweise einer Simulation, beispielsweise einer auf einer finiten Elemente Methode basierenden Simulation, bedient. Das zunächst initial ausgelegte faserverstärkte Verbundbauteil 10 wird mit verschiedenen Anregungsfrequenzen und Anregungsamplituden an einer vorgebbaren Anregungsposition 14 des faserverstärkten Verbundbauteils 10 im Rahmen einer Simulation beaufschlagt. Aus der Anregung resultierende, ein Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils 10 charakterisierende Schwingungsamplituden werden mithilfe der Simulation ermittelt und deren Werte mit vorgegebenen Schwellenwerten für zulässige Schwingungsamplituden abgeglichen. Je nach Grad der Überschreitung einer oder mehrerer Schwellenwerte an einer oder mehreren Positionen des faserverstärkten Verbundbauteils 10 werden entsprechende lokale Materialverdickungen 12 an dem faserverstärkten Verbundbauteil 10 zur Reduzierung der jeweiligen Schwingungsamplituden vorgesehen. Im Anschluss daran wird eine erneute Anregung des faserverstärkten Verbundbauteils 10 mit den gleichen Anregungsfrequenzen und den gleichen Anregungsamplituden an derselben Anregungsposition 14 vorgenommen. Die aus der Anregung resultierenden Schwingungsamplituden werden erneut im Zuge einer Simulationsrechnung ermittelt und mit den vorgegebenen Schwellenwerten abgeglichen. Werden die vorgegebenen Schwellenwerte nicht mehr überschritten, ist die konstruktive Auslegung des faserverstärkten Verbundbauteils 10 im Hinblick auf eine akustikgerechte Auslesung abgeschlossen. Sollten trotz der Vorsehung der einen oder der mehreren lokalen Materialverdickungen 12 an dem faserverstärkten Verbundbauteil 10 weiterhin die Schwingungsamplituden die vorgegebenen Schwellwerte überschreiten, werden an entsprechenden Stellen weitere lokale Materialverdickungen 12 vorgesehen und im Zuge einer wiederholten Simulation erprobt.
In 3 ist ein faserverstärktes Verbundbauteil 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Es unterscheidet sich von dem in den 1 und 2 gezeigten faserverstärkten Verbundbauteil 10 dadurch, dass die lokalen Materialverdickungen 12 in Form einer Mehrzahl von mäanderförmigen lokalen Materialverdickungen 12 an dem faserverstärkten Verbundbauteil 10 konzentrisch um die Anregungsposition 14 angeordnet vorgesehen sind. Mit anderen Worten weisen die lokalen Materialverdickungen 12 in dem vorliegenden Fall jeweils keinen festen Durchmesser auf. Dadurch kann eine größere Bandbreite an unterschiedlichen Anregungsfrequenzen gedämpft werden. Die mäanderförmigen lokalen Materialverdickungen 12 können dabei wie in 3 dargestellt mit einem gleichmäßigen radialen Abstand voneinander angeordnet vorgesehen werden. Es ist darüber hinaus aber genauso gut möglich, die mäanderförmigen lokalen Materialverdickungen 12 mit unterschiedlichen radialen Abständen voneinander angeordnet vorzusehen.
In 4 ist ein weiteres faserverstärktes Verbundbauteil 10 gemäß einer dritten Ausführungsform in einer schematischen Draufsicht gezeigt, wobei sich dieses faserverstärkte Verbundbauteil 10 von den zuvor gezeigten faserverstärkten Verbundbauteilen 10 in den 1 bis 3 dadurch unterscheidet, dass das faserverstärkte Verbundbauteil 10 im vorliegenden Fall ringförmige konzentrisch angeordnete lokale Materialverdickungen 12 aufweist, welche mit einem unterschiedlichen radialen Abstand voneinander angeordnet sind. Die ringförmigen lokalen Materialverdickungen weisen dabei im vorliegenden Fall unterschiedliche radiale Abstände A₁, A₂ und A₃ zwischen sich auf. Die unterschiedlichen radialen Abstände A₁, A₂, A₃ zwischen den ringförmigen lokalen Materialverdickungen 12 sind dabei korrespondierend mit unterschiedlichen Anregungsfrequenzen f₁, f₂, f₃ ausgebildet. Die unterschiedlichen radialen Abstände A₁, A₂, A₃ können beispielsweise derart gewählt sein, dass die jeweiligen ringförmigen lokalen Materialverdickungen 12 jeweils so angeordnet sind, dass diese an einer Position mit einer besonders großen Schwingungsamplitude bei einer der jeweiligen Anregungsfrequenzen f₁, f₂, f₃ vorgesehen sind. Dadurch kann das faserverstärkte Verbundbauteil 10 insbesondere auf die jeweiligen Anregungsfrequenzen f₁, f₂, f₃ abgestimmt werden, sodass insbesondere bei diesen Frequenzen f₁, f₂, f₃ eine besonders gute Dämpfung des faserverstärkten Verbundbundbauteils 10 erreicht wird. Die Anzahl der ringförmigen lokalen Materialverdickungen 12 sowie die jeweiligen unterschiedlichen radialen Abstände A₁, A₂, A₃ zwischen ihnen können dabei in Abhängigkeit von den Anregungsfrequenzen f₁, f₂, f₃ variiert werden, sodass auch beliebig andere Anordnungen der ringförmigen lokalen Materialverdickungen 12 vorgesehen werden können.
In 5 ist ein weiteres faserverstärktes Verbundbauteil 16 gemäß einer dritten Ausführungsform in einer schematischen Draufsicht dargestellt, wobei es sich von den zuvor in den 1 bis 4 gezeigten faserverstärkten Verbundbauteilen 10 dadurch unterscheidet, dass es eine durchgängige Schweißnaht 18 aufweist und das faserverstärkte Verbundbauteil 16 im Einbauzustand im Fahrzeug im Fahrzeugbetrieb eine linienförmige Anregung an der gesamten Schweißnaht 18 erfährt. Des Weiteren unterscheidet sich das hier gezeigte faserverstärkte Verbundbauteil 16 dadurch, dass lokale Materialverdickungen 20 vorgesehen sind, welche bogenförmig bzw. halbkreisförmig angeordnet an dem faserverstärkten Verbundbauteil 16 ausgebildet sind.
In 6 ist das gleiche faserverstärkte Verbundbauteil 16 wie in 5 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt. Das faserverstärkte Verbundbauteil 16 erfährt eine linienförmige Anregung mit einer oder mehreren Anregungsfrequenzen und einer oder mehreren Anregungsamplituden über die linienförmig ausgebildete Anregungsposition 22. Im Gegensatz zu den in den 1 bis 4 gezeigten Fällen, in welchen das faserverstärkte Verbundbauteil 10 jeweils eine punktförmige Anregung erfährt, breiten sich die Schwingungen in dem faserverstärkten Verbundbauteil 16 entsprechend der linienförmigen Anregung nicht in sich konzentrisch ausbreitenden Wellen in dem faserverstärkten Verbundbauteil 16, sondern im Wesentlichen in Form von bogen- oder halbkreisförmigen Wellen in dem faserverstärkten Verbundbauteil 16 aus. Entsprechend dieser Schwingungsausbreitung sind die lokalen Materialverdickungen 20 ebenfalls halbkreis- bzw. bogenförmig ausgebildet, sodass eine besonders gute Dämpfung der aus der linienförmigen Anregung resultierenden Schwingungen und Schwingungsamplituden erfolgen kann, sodass die Geräuschemissionen des faserverstärkten Verbundbauteils 16 auf besonders gute Weise reduziert bzw. gedämpft werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0934180 B2 [0003, 0009]

Claims

Verfahren zur konstruktiven Auslegung eines akustikgerechten faserverstärkten Verbundbauteils (10, 16), insbesondere eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils für einen Kraftwagen, mit den Schritten: – Einleiten von zumindest einer Anregung mit wenigstens einer Anregungsfrequenz (f₁, f₂, f₃) und wenigstens einer Anregungsamplitude an einer vorgebbaren Anregungsposition (14, 22) des faserverstärkten Verbundbauteils (10, 16); – Ermitteln von aus der Anregung resultierenden, ein Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils (10, 16) charakterisierenden Schwingungsamplituden; und – Vorsehen von zumindest einer lokalen Materialverdickung (12, 20) an dem faserverstärkten Verbundbauteil (10, 16) in Abhängigkeit von wenigstens einer der Schwingungsamplituden, welche einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine lokale Materialverdickung (12, 20) an der wenigstens einen vorgebbaren Anregungsposition (14, 22) des faserverstärkten Verbundbauteils (10, 16) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von ringförmigen lokalen Materialverdickungen (12) an dem faserverstärkten Verbundbauteil (10) konzentrisch um die wenigstens eine vorgebbare Anregungsposition (14) angeordnet vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen lokalen Materialverdickungen (12) mit einem radialen Abstand (A₁, A₂, A₃) voneinander angeordnet vorgesehen werden, welcher einem Viertel der Wellenlänge (λ) einer vorgebbaren Anregungsfrequenz (f₁, f₂, f₃) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen lokalen Materialverdickungen (12) mit einem unterschiedlichen radialen Abstand (A₁, A₂, A₃) voneinander angeordnet vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von mäanderförmigen lokalen Materialverdickungen (12) an dem faserverstärkten Verbundbauteil (10) konzentrisch um die wenigstens eine vorgebbare Anregungsposition (14) angeordnet vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass strahlförmige lokale Materialverdickungen (12, 20) an dem faserverstärkten Verbundbauteil (10) radial von der zumindest einen vorgebbaren Anregungsposition (14, 22) ausgehend angeordnet vorgesehen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Materialverdickung (12, 20) mittels einer Anhäufung von Matrixharz und/oder Fasern ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen des Schwingungsverhaltens mithilfe einer Simulation erfolgt.
Faserverstärktes Verbundbauteil (10, 16), insbesondere Faser-Kunststoff-Verbundbauteil für einen Kraftwagen, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Verbundbauteil (10, 16) an zumindest einer vorgebbaren Position (14, 22) wenigstens eine lokale Materialverdickung (12, 20) aufweist, wodurch bei Einleitung von zumindest einer vorgebbaren Anregung mit wenigstens einer Anregungsfrequenz (f₁, f₂, f₃) und wenigstens einer Anregungsamplitude an einer vorgebbaren Anregungsposition (14, 22) des faserverstärkten Verbundbauteils (10, 16) sämtliche ein entsprechendes Schwingungsverhalten des faserverstärkten Verbundbauteils (10, 16) charakterisierende Schwingungsamplituden einen Wert unterhalb eines jeweilig vorgebbaren Schwellenwerts aufweisen.