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Die Erfindung betrifft einen Schalldämmungsaufbau zum Aufbringen auf eine steife Tragstruktur eines Fahrzeugs.
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Schalldämmung in Fahrzeugen und Flugzeugen wird typischerweise durch mattenförmige Gebilde umgesetzt, welche durch einen Schichtaufbau ein Masse-Feder-System ausbilden. Zweck der Schalldämmung ist es, die Vibrationen der Karosserie und der an der Karosserie angeordneten typischerweise steifen Bauteilen so zu isolieren bzw. zu absorbieren, dass sich diese Vibrationen nicht als Luftschall im Innenraum des Fahrzeugs ausbreiten. Hierbei wird die Trägheit der Masse einer Schwerschicht genutzt, um mit einer oszillierenden Auslenkung der starren Bauteile wie der Karosserieelemente die Schwingungsenergie in eine Federschicht zu führen, die zwischen dem starren Bauteil und der Schwerschicht angeordnet ist. Im Stand der Technik sind verschiedene flächige Schallisolationssysteme, die nach diesem Prinzip wirken, bekannt:
- Die DE 10 2004 032 925 A1 betrifft in diesem Zusammenhang ein Schallisolationssystem für die Verwendung in einem Fahrzeug, wobei das Schallisolationssystem umfasst: Eine Schicht aus einem Faserpolstermaterial mit einer ersten Oberfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche mehrere beabstandete Vertiefungen umfasst und wobei die zweite Oberfläche einen im Wesentlichen flachen Teil umfasst, der sich über zwei benachbarte Vertiefungen der ersten Oberfläche erstreckt, wobei die Vertiefungen der erste Oberfläche konfiguriert sind, um mehrere Hohlräume zu definieren, wenn das Schallisolationssystem in dem Fahrzeug montiert wird, wodurch die akustische Leistung des Schallisolationssystems erhöht wird.
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Die
DE 10 2010 035 431 A1 betrifft ferner einen breitbandigen Schall-Absorber mit hoher akustischer Isolation, umfassend ein gegebenenfalls Schwerfüllstoff enthaltendes schallabsorbierendes Füllstoffmaterial zwischen zwei sich randumlaufend berührenden Folienbahnen mit vollständiger oder bereichsweiser Mikroperforierung, wobei eine oder beide mirkoperforierten Folienbahnen über die Fläche eine gleiche Dicke oder partielle Aufdickungen aus gleichem oder unterschiedlichem Material wie die Folienbahn aufweisen.
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Die
US 2019 /0035373 A1 beschreibt zudem eine akustische Metamaterial-Einheitszelle, die aus einem Rahmen, einem in dem Rahmen platzierten Beschränkungs-Stab und einem Stück Membran besteht, das mindestens eine Oberfläche des Rahmens bedeckt. Außerdem wird eine akustische Metamaterialplatte gezeigt, die aus den bereitgestellten Elementarzellen und einer Verbundstruktur aus akustischen Materialien besteht. Ein Verfahren zur Gestaltung der Betriebsfrequenzbänder zeigt, wie die Struktur und die Materialeigenschaften des Rahmens, des Beschränkungs-Stabs und der Membran in dem vorgeschlagenen akustischen Metamaterial modifiziert werden können.
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Die in der
US 2019 /0035373 A1 vorgeschlagenen Beschränkungs-Stäbe dienen dazu, unerwünschte Schwingungsmoden zu unterdrücken und gleichzeitig Schwingungsmoden für das Totalreflexionsphänomen bei niedrigen Frequenzen zu erzeugen. Die Bewegung der Membran wird nicht nur durch den Rahmen, sondern auch durch die Beschränkungs-Stäbe eingeschränkt. Insbesondere schließen die Beschränkungs-Stäbe bündig mit der Ober- und Unterseite des Rahmens ab.
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Gerade der Einsatz neuer, nachhaltiger Materialien kann jedoch die Leistung der Schalldämmung einschränken. Es ist daher wünschenswert, ein Schallisolationssystem bzw. Schallabsorptionssystem zu entwickeln, welches gleiche akustische Leistungsfähigkeit bei niedrigerem Gewicht aufweist oder andersherum, bessere akustische Leistungsfähigkeit bei gleichem Gewicht aufweist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schalldämmung für ein Fahrzeug bereitzustellen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Schalldämmungsaufbau zum Aufbringen auf eine steife Tragstruktur eines Fahrzeugs, aufweisend eine Deckschicht und eine Trägerschicht, wobei die Trägerschicht eine Vielzahl von voneinander dynamisch entkoppelten und in der Ebene der Trägerschicht verteilt angeordneten Einzelmassen aufweist, wobei die Deckschicht auf einer, im auf die Tragstruktur aufgebrachten Zustand des Schalldämmungsaufbaus, der Tragstruktur gegenüberliegenden Seite der Trägerschicht vorgesehen ist, und wobei die Einzelmassen jeweils in Aussparungen in der Trägerschicht eingelegt sind und/oder in die Trägerschicht eingepresst sind und/oder auf der Trägerschicht fixiert angeordnet sind.
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Im in ein Fahrzeug eingebauten Zustand ist der Schalldämmungsaufbau auf eine Tragstruktur des Fahrzeugs aufgebracht. Die Tragstruktur kann ein Karosserieelement wie ein steifer Fußboden des Fahrzeugs sein. Entsprechend kann der Schalldämmungsaufbau auf seiner Montageseite für die Tragstruktur konturiert sein, um Unebenheiten in der Tragstruktur ausgleichen zu können.
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Von der Tragstruktur des Fahrzeugs ausgehend kann sich direkt die Trägerschicht anschließen, wenn diese bereits die Funktion einer Federschicht erfüllt, indem sie beispielsweise aus Schaum, bevorzugt Polyurethanschaum gebildet ist. Ist die Trägerschicht dagegen wenig federnd, beispielsweise aus einem eher steifen Fleece gefertigt, so kann vorteilhaft noch ein weiteres, jedoch weicheres, Fleece als separate Federschicht zwischen der Tragstruktur und der Trägerschicht angeordnet werden.
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Fleece wird auch häufig als Vlies bezeichnet und bezeichnet in beiden Fällen eine Anordnung aus Kunststofffasern, insbesondere ein Gewebe aus Polyesterfasern. Es können Gebilde aus Fasern begrenzter Länge, Endlosfasern oder geschnittenen Garnen verwendet werden.
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Oberhalb der Trägerschicht ist die Deckschicht angeordnet, die bevorzugt als Schwerschicht ausgeführt wird. Alternativ zur Schwerschicht kann ein Fleece mit hoher Dichte (insbesondere mit einer höheren Dichte als eine separate Federschicht aus Fleece) verwendet werden, welches weiterhin bevorzugt mit einer Polyesterfolie überspannt ist.
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Insbesondere die Deckschicht bildet eine schwingende Oberfläche des Schalldämmungsaufbaus aus, welche zur Schallabstrahlung in der Lage ist. Dieser wird eine Schwingform aufgezwungen, welche einen akustischen Kurzschluss darstellt. Ebenfalls wird ein akustischer Kurzschluss durch die Einzelmassen hervorgerufen, die in der Trägerschicht angeordnet sind. Die Schwingform wird durch die gezielte und bevorzugt regelmäßige Anordnung der Einzelmassen in der Trägerschicht erreicht. Die Einzelmassen haben dabei keinen stofflichen Kontakt mit der schwingenden Oberfläche, insbesondere der Deckschicht. Vielmehr sind die Einzelmassen durch andere Materialien von dieser schwingenden Oberfläche getrennt. Um eine ungestörte Schwingung der Oberfläche zu erzählen, wird diese - zusammen mit den Massen - durch eine weiche Federwirkung entkoppelt.
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Wie oben erläutert kann die Federwirkung durch die Trägerschicht selbst hergestellt werden, indem diese durch ein entsprechend weiches und federndes Material hergestellt wird. Es kann auch zwischen der Tragstruktur des Fahrzeugs und der Trägerschicht jedoch noch eine zusätzliche Federschicht mit entsprechend geringer Federsteifigkeit, beispielsweise mit weichem Fleece, vorgesehen werden.
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Es wird somit eine Schwerschicht in einem Feder-Masse- oder Feder-Masse-Feder - System erhalten.
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Bevorzugt sind die Einzelmassen in der Ebene der Trägerschicht entlang eines Rasters regelmäßig verteilt. Die Abstände der Einzelmassen voneinander in der Trägerschicht sind Teil der konstruktiven Freiheiten und werden entsprechend der zu erwartenden auftretenden Frequenzen sowie der Dichte und Gesamtmasse der Schichten oberhalb der Trägerschicht vorteilhaft gewählt. Die Trägerschicht kann auch ein Trägernetz aufweisen und aus Gewebe gefertigt sein.
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Es bestehen mehrere Möglichkeiten beim Einbringen der Einzelmassen in die Trägerschicht: Zum einen kann die Trägerschicht im Voraus vorgesehene jeweilige Aussparungen aufweisen, die vorteilhaft den Abmessungen der jeweiligen Einzelmassen entsprechen oder die Abmessungen der jeweiligen Einzelmassen leicht unterschreiten, um eine reibschlüssige Verbindung zwischen den Einzelmassen und den Aussparungen zu erreichen. Zum anderen können die Einzelmassen in die Trägerschicht eingepresst werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Einzelmassen auf eine relativ steife und eher dünne Trägerschicht oberflächlich aufgebracht werden, beispielsweise durch Nieten.
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Es wird somit vorteilhaft eine optimierte Schalldämmung und Schallisolation im Fahrzeuginnenraum mithilfe eines Feder-Masse-Systems unter Verwendung von Metamaterialtechnologien erreicht. Eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Schalldämmungsaufbaus ist ein Bodenbelag, der gleichzeitig als Fußmatte dienen kann, d. h. ein Fahrzeugteppichboden. Aber auch an Seitenwänden und anderen gewünschten Orten kann der erfindungsgemäße Schalldämmungsaufbau zur Schallreduktion im Innenraum des Fahrzeugs angewendet werden.
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Es ist eine weitere vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass gleiche akustische Leistungsfähigkeit zu herkömmlichen Schalldämmungsaufbauten bei niedrigerem Gewicht, oder bessere akustische Leistungsfähigkeit bei gleichem Gewicht, erreicht wird. Darüber hinaus wird ein etwaiger Performanceverlust durch die Umstellung auf nachhaltige Materialien ausgeglichen. Die Verwendung von nachhaltigen Materialien wird somit vereinfacht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Einzelmassen von der Deckschicht und von der Tragstruktur jeweils durch Material getrennt.
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Das Material kann Teil der Trägerschicht sein oder separat eingebrachtes Material. Die Einzelmassen weisen bevorzugt nur eine Höhe auf, die kleiner ist als der Durchmesser der Trägerschicht. Bevorzugt stehen die Einzelmassen nicht in Richtung der Deckschicht aus der Trägerschicht hervor, vielmehr überragt die Oberseite der Trägerschicht die Einzelmassen. Vorteilhaft berühren daher die Einzelmassen nicht die Deckschicht. Weiterhin vorteilhaft sind die Einzelmassen vollständig in der Trägerschicht integriert, sodass sie weder nach oben zur Deckschicht noch nach unten aus der Trägerschicht herausragen.
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Ist die Trägerschicht aus Kunststoff-Schaum gefertigt, so ist das Material, dass die Einzelmassen von der Deckschicht trennt, Teil des Kunststoff-Schaums. Ist dagegen die Trägerschicht aus einem Gewebe gebildet, das relativ steif ist und im Gegensatz zum Kunststoff-Schaum nicht die Funktion einer eigenen Federschicht übernehmen kann, so kann eine zusätzliche Trennschicht zwischen Deckschicht und den Einzelmassen bzw. der Trägerschicht vorgesehen werden. Wiederum alternativ kann die Trennung durch Material der Einzelmassen von der Deckschicht durch Gewebe oder Fleece erfolgen, welches insbesondere ein Gewebe oder Fleece der Trägerschicht selbst ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Trägerschicht aus federndem Schaum gefertigt, sodass der Schaum die Funktion einer Federschicht einnimmt.
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Eine eigene, separate Federschicht, die unterhalb der Trägerschicht in Richtung der Tragstruktur des Fahrzeugs angeordnet wird, kann mithilfe dieser Ausführungsform eingespart werden, kann jedoch auch zusätzlich noch vorgesehen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Trägerschicht eine nicht-federnde Schicht, wobei eine Federschicht an der der Tragstruktur zugewandten Seite der Trägerschicht vorgesehen ist.
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Die separate Federschicht wird bevorzugt mit geringer Federsteifigkeit vorgesehen, beispielsweise wird weiches Fleece vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Einzelmassen mit der Trägerschicht mittels Nieten verbunden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Trägerschicht ein Gewebe oder Gewirk, bevorzugt jeweils aus Polymerfasern, wie Fleece.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Federschicht aus Fleece gefertigt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Einzelmassen Metallknöpfe oder Metallplättchen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind in der Trägerschicht Luftkammern vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Deckschicht aus Fleece, und weist besonders bevorzugt eine abdeckende Folie auf, besonders bevorzugt eine Polyesterfolie.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1: Einen Schalldämmungsaufbau gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Querschnitt in Seitenansicht.
- 2: Einen Schalldämmungsaufbau gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wiederum als Querschnitt in Seitenansicht.
- 3: Eine beispielhafte Trägerschicht eines Schalldämmungsaufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht.
- 4: Varianten in der Einbringung der Einzelmassen in die Trägerschicht gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt einen Schalldämmungsaufbau im Querschnitt. Auf eine steife Tragstruktur 1 im Bereich eines Fußbodens eines Fahrzeugs wird der Schalldämmungsaufbau aufgebracht, um Vibrationen in der Tragstruktur 1 möglichst nicht in den Innenraum und damit in Luftschall des Fahrzeugs zu übertragen. Unmittelbar an die Tragstruktur 1 wird eine Federschicht 9 angeordnet, welche aus weichem Fleece aus Polymerfasern gefertigt ist. Auf der Federschicht 9 befindet sich die Trägerschicht 5, die dazu dient, Einzelmassen 7 aufzunehmen. Die Einzelmassen 7 sind aus Metall, beispielsweise Stahl, und in die Trägerschicht 5 bzw. an diese angeordnet. Die Trägerschicht 5 ist im Vergleich zur Federschicht 9 aus Polymerfasern gefertigt, die in ihrem gesamten Aufbau der Trägerschicht 5 eine relativ steife Schicht bilden. Die Federschicht 9 dagegen ist aus weichem Fleece gefertigt und weist entsprechend geringe Federsteifigkeit auf. Die Einzelmassen 7 wirken hierbei als funktionale Massen, und sind räumlich getrennt voneinander angeordnet, d. h., dass sich nie Paare aus Einzelmassen 7 berühren. Die Einzelmassen 7 sind nur so hoch, dass sie aus der Trägerschicht 5 nicht herausragen, insbesondere nicht die Deckschicht 3 stützen oder diese kontaktieren. Die Deckschicht 3 ist aus einem sehr dichten Fleecematerial, und weist eine Polyesterfolie als Abschluss nach oben zum Fußraum des Fahrzeugs auf. Die Deckschicht 3 kann zudem als Schwerschicht ausgeführt sein, d. h. mit einer Dichte bzw. Dicke ausgeführt sein, dass ihre Massenträgheit effektiv zur Dynamik des akustischen Kurzschlusses des Schalldämmungsaufbaus beiträgt.
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2 zeigte einen alternativen Schalldämmungsaufbau auf, wobei wiederum unten in der Grafik die Tragstruktur 1 angedeutet ist. Da die Trägerschicht 5 aus weichem und hochelastischem Polyurethan- Schaum gebildet ist, kann das Vorsehen einer eigenen Federschicht 9 (vgl. 1) entfallen. Vielmehr kontaktiert die Trägerschicht 5 zumindest abschnittsweise direkt die Tragstruktur 1. Wiederum sind Einzelmassen 7 in der Trägerschicht 5 angeordnet, die die darüber liegende Deckschicht 3 nicht berühren. Die Deckschicht 3 ist in dieser Ausführungsform als Schwerschicht ausgeführt.
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3 zeigt perspektivisch von der Seite der anzuordnenden Deckschicht 3 her die Oberseite der Trägerschicht 5. Hierbei sind Aussparungen vorgesehen, um die Einzelmassen 7 einzulegen. Beispielhaft ist eine erste Einzelmasse 7 bereits eingelegt, eine weitere Einzelmasse 7 wird wie mit dem gestrichelten Pfeil dargestellt zu einer weiteren freien Aussparung geführt und in diese axial eingeführt. Die Einzelmassen 7 werden durch die rasterförmige Anordnung der Aussparungen in der Trägerschicht 5 im entsprechenden Raster regelmäßig angeordnet. Die Abstände der Aussparungen, sowie die Trägheit der Massen und die Steifigkeit der Trägerschicht 5 und, wenn vorgesehen die Steifigkeit der Federschicht 9, bestimmen maßgeblich das Absorptions- und Isolationsverhalten des Schalldämmungsaufbaus.
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4 zeigt im Querschnitt zwei mögliche Ausführungen der Trägerschicht 5, um die Einzelmassen 7 dort einzubringen. Im Teilbild (A) ist vorgesehen, dass wie in 3 angedeutet die Einzelmassen 7 in dafür vorgesehene Aussparungen eingelegt werden. Löcher in der Trägerschicht 5 können beispielsweise ausgestanzt werden, um die Einzelmassen 7 darin einzubetten. Im Teilbild (B) ist eine alternative Ausführung gezeigt, in der vorgesehen ist, dass die Einzelmassen 7 im Fleece der Trägerschicht 5 eingepresst werden. Aussparungen in der Trägerschicht 5 sind daher nicht notwendig. Beim Einpressen der Einzelmassen 7 bilden sich lokal Verdichtungen im Trägernetz der Trägerstruktur 5 sowie Kammern gefüllt mit Luft 11. Im gezeigten Beispiel des Teilbilds (B) der 4 ist die Luftkammer 11 mit einem dreieckigen Querschnitt gezeigt, welche abhängig von der äußeren Form der jeweiligen Einzelmasse 7 eine entsprechende voluminöse Kammer ausbildet. Bevorzugt werden zylindrische Einzelmassen 7 in dieser Ausführungsform verwendet; werden jedoch die Einzelmassen 7 auf einer Oberfläche einer relativ steifen Trägerschicht 5 angeordnet, beispielsweise mittels Nieten, so können auch knopfförmige oder quaderförmige Einzelmassen 7 vorgesehen werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2004 032 925 A1 [0002]
- DE 10 2010 035 431 A1 [0003]
- US 2019 /0035373 A1 [0004, 0005]