DE19846117C2 - Verwendung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung und Zugfestigkeit für ein Bauteil einer schallemittierenden Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Werkstoffes mit ho­ her Materialdämpfung und Zugfestigkeit für ein Bauteil einer schallemittierenden Maschine, welches Bauteil im schallerzeu­ genden bzw. -leitenden Kraftfluß der Maschine angeordnet ist.

Die hohe Beschleunigung mechanisch bewegter Teile verursacht in einem breiten Frequenzspektrum unerwünschte Schwingungen. Ins­ besondere ist dies bei Maschinen mit rotierenden Teilen und hierbei besonders bei Brennkraftmaschinen festzustellen. Um derartige Geräusche zumindest zu verringern, werden unter­ schiedliche Lösungsansätze vorgeschlagen. So werden bspw. ins­ besondere im Fahrzeugbau vielfach passive Maßnahmen wie Dämm­ matten, Schwingungstilger usw. verwendet. Weiterhin werden auch aktive Maßnahmen wie bspw. eine Beeinflussung des Luftschalls in einem Fahrgastraum (activ-noise-control) mittels akustischer Interferenzen zur Verringerung eines wahrgenommenen Störgeräu­ sches eingesetzt.

Aus der US 46 84 414 ist die Verwendung einer Legierung als Werkstoff für geräuschdämpfende Bauteile bekannt. Der Werkstoff beinhaltet bis zu 20% Ni, bis zu 15% Ti, zwischen 0,3 und 20% Si und Al als Restwerkstoff. Dieser Werkstoff wird einer Wär­ mebehandlung und einer anschließenden Verformung unterzogen, wobei sich eine martensitische Zweitphase bildet.

Aus der DE-AS 15 58 715 ist bekannt, daß eine zu der US 46 84 414 entsprechende Zweitphase schalldämpfend ist.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 198 26 175 A1 ist eine weitere Maßnahme bekannt, nach der es sich als günstig erweist, in eine Übertragungsstrecke des Schalls - also dem Kraftfluß zwischen einem erregenden Bauteil und einem Bauteil, das diese Erregung an ein den Schall insbesondere als Störgeräusch abstrahlendes Element weiterleitet - eine Einrichtung einzubringen, mittels der die Stärke bzw. die Intensität des Kraftflusses zwischen dem Bauteil, von dem der Kraftfluß kommt und dem Bauteil an das der Kraftfluß weitergeleitet wird, zumindest verringert wird.

Die genannten Maßnahmen weisen u. a. einen hohen technologischen und zum Teil auch finanziellen Aufwand auf. Desweiteren sind diese Maßnahme auch mit einer Gewichtszunahme der Maschine ver­ bunden, was insbesondere im Automobilbau unerwünscht ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine preiswerte und einfache Möglichkeit zur Beeinflussung des Kraftflusses einer Körper­ schallleitung anzugeben.

Durch die Verwendung eines aus der nicht vorveröffentlichten DE 197 41 019 A1 bekannten Werkstoffes als Werkstoff für Bautei­ le, die sich im schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftfluß ei­ ner Maschine befinden und die zumindest bereichsweise aus die­ sem Werkstoff gefertigt sind, wird die Aufgabe gelöst. Der aus dieser Schrift bekannte metallische Werkstoff weist trotz sei­ ner für Metalle typisch hohen Zugfestigkeit und ebenso hohe Bruchdehnung eine für Metall ungewöhnlich hohe Materialdämp­ fung auf. Durch die Materialeigenschaften des aus der DE 197 41 019 A1 bekannten Werkstoffes ist der Kraftfluß der Körper­ schallleitung zumindest verringert. Mit der Verringerung des Kraftflusses ist eine ebensolche Verringerung des endseitig ab­ gestrahlten Schalls und damit des Störgeräusches verbunden. Die Verringerung des Kraftflusses basiert darauf, daß zunächst der Kraftfluß verzögert wird, weshalb bei harmonischer Anre­ gung der resultierende Kraftfluß verringert wird.

Bei den Maschinen, bei denen die Erfindung bevorzugt verwendet werden kann, handelt es sich insbesondere um Flugzeuge, um Hub­ schrauber, um Lokomotiven und/oder um Waggons einer Eisenbahn, oder um mit Kraftmaschinen betriebene Kraftfahrzeuge, vorzugsweise um einen Pkw oder um einen Lkw.

Bei der Verwendung der Erfindung für vorzugsweise Kraftfahrzeu­ ge und hierbei insbesondere für Pkws oder Lkws wird der Werk­ stoff insbesondere zur Herstellung eines Pleuels und/oder eines ein Zylinder- und ein Kurbelgehäuse aufweisenden Motorblocks und/oder eines Zylinderkopfes und/oder eines Getriebe- und/oder eines Automatikgehäuses und/oder eines Kupplungsgehäuses und/oder eines Aggregateträgers und/oder eines Motorträgers und/oder einer Sitzschiene und/oder einer Sitzauflage, auf der Sitze aufliegen, und/oder eines Sitzrahmens und/oder eines Aus­ gleichsgetriebes, insbesondere eines Differentialgehäuses ver­ wendet.

Desweiteren kann die Erfindungen auch für Bauteile verwendet werden, die zwar im Kraftfluß liegen, aber gleichzeitig in der Art einer Membran für die Schallabstrahlung wirken. Dies kann bspw. bei einer Ölwanne der Fall sein.

Der für die im Kraftfluß angeordneten Bauteile ausgewählte Werkstoff weist schon bei geringen Schwingungsamplituden hoch­ dämpfende Eigenschaften auf. Da ferner die zumindest teilweise martensitisch vorliegende Zweitphase die mechanischen Kennwert des Basismaterials allenfalls vernachlässigbar beeinflußt, kann der Werkstoff auch als Strukturwerkstoff verwendet werden.

Durch diese beiden Eigenschaften des Werkstoffes können also mechanisch stabile Bauteile mit hochdämpfenden Eigenschaften konzipiert werden, wodurch auf einfache Weise ein einfacher, billiger und hochwirksamer Beitrag zur Verringerung einer von einer Maschine aussehenden Geräuschkulisse realisiert ist.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Zweitphase um eine Legie­ rung. Als günstig hat sich eine Ni-Ti Legierung erwiesen, deren Legierungsbestandteile zwischen 48 und 52 Atom-% gemischt sind. Von besonderem Vorteil ist diese Legierung, wenn die Legierung 49.9 Atom-% Ni und 50.1 Atom-% Ti aufweist. Die in diesem Ab­ satz genannten Bestandteile stellen bevorzugte Werte dar. Sie sind nicht als Beschränkung der Erfindung anzusehen.

Die Materialdämpfung wird erhöht, wenn die Zweitphase bis zu 25 Atom-% Zusätze aufweist. Die Zusätze bewirken eine Stabilisierung der martensitischen Phase und der Anpassung an die jewei­ ligen Betriebsbedingungen der jeweiligen Bauteile.

Besonders hervorzuhebende Zusätze sind im einzelnen Zirkon und/oder Hafnium und/oder Kupfer und/oder Niob und/oder Mangan und/oder Palladium und/oder Platin und/oder Eisen.

Die Stabilisierung der martensitischen Phase kann durch eine Vorbehandlung der Zweitphase erfolgen, indem z. B. eine Deforma­ tion der Zweitphase oder eine Homogenisierung der Legierungsbe­ standteile durchgeführt wird.

Die Zweitphase kann als Partikel und/oder als Drähte und/oder als Fasern, insbesondere als Kurzfasern und/oder als Lage im Basismaterial vorliegen. Durch diese Ausgestaltung kann der Werkstoff in idealer Weise an die an das jeweilige Bauteil vorgegebenen Anforderungen angepaßt werden.

Eine besondere Art einer derartigen Anpassung erfolgt dadurch, daß der Anteil der Zweitphase an dem Gesamtwerkstoff - je nach gewünschten Eigenschaften des Werkstoffes bzw. des daraus ge­ fertigten Bauteils - bevorzugt zwischen 5 und 60 Vol.-% vari­ iert wird.

Vor allem ist es zweckmäßig die Materialien der Zweitphase und des Basismaterials derart aufeinander abzustimmen, daß die bei­ den Materialien an ihren Grenzflächen eine Verbindung ausbil­ den.

Durch die metallische Zweitphase mit zumindest teilweise mar­ tensitischem Gefüge innerhalb des Basismaterials gelingt es, die Anforderungen von seiten der Dämpfung an den Werkstoff ge­ stellt wird, zumindest weitgehend, insbesondere allein durch die Zweitphase zu erfüllen.

Die Forderungen betreffend die Zugfestigkeit und der Bruchfe­ stigkeit werden vor allem durch das Basismaterial erfüllt bzw. bestimmt. Insbesondere aus diesem Grund kann das Basismaterial zu jeder Anforderung, die an das betreffende Bauteil gestellt wird, als Strukturwerkstoff verwendet werden.

Sinnvollerweise wird aufgrund der geringen Dichte bzw. seines geringen Gewichtes als Basiswerkstoff ein Leichtmetall und/oder eine Leichtmetall-Legierung verwendet. Als besonders günstig hat sich hierbei die Al-Legierungen mit der Bezeichnung EN AW- 6061 gemäß DIN EN 573 herausgestellt.

Bedarf es höherer Festigkeiten als sie mit diesem Material reali­ sierbar sind, können ggf. Basismaterialien eingesetzt werden, die verschiedene Gefüge aufweisen oder die als Verbundwerkstoffe mindestens eine weitere Drittphase zur Verstärkung besitzen. Eine auf das Basismaterial abgestimmte thermomechanische Be­ handlung führt ebenfalls zu einer vorteilhaften Erhöhung der Festigkeit des Basismaterials.

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffes kann der nicht vorveröffentlichten DE 197 41 019 A1 entnommen werden.

Claims (13)

1. Verwendung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung und Zugfestigkeit, wobei der Werkstoff aus einem metallischen Ba­ sismaterial sowie einer metallischen Zweitphase mit zumindest teilweise martensitischem Gefüge besteht, wobei die Zweitphase eine Legierung ist, welche jeweils zwischen 48 und 52 Atom-% Ni oder Ti, bevorzugt etwa 49,9 Atom-% Ni und etwa 50,1 Atom-% Ti aufweist und wobei das Basismaterial ein Leichtmetall und/oder eine Leichtmetall-Legierung ist, für ein Bauteil einer schallerzeugenden bzw. -emittierenden Maschine, welches Bauteil im schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftfluß der Maschine an­ geordnet ist.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff faserverstärkt ist, insbesondere mit minera­ lischen Fasern und/oder Kohlefasern.

3. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase bis zu 25 Atom-% Zusätze aufweist.

4. Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze aus der nachfolgenden Gruppe von Elementen ent­ nommen sind: Zirkon und/oder Hafnium und/oder Kupfer und/oder Niob und/oder Mangan und/oder Palladium und/oder Platin und/oder Eisen.

5. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase aus Partikeln und/oder aus Drähten und/oder aus Kurzfasern gebildet ist und/oder daß die Zweitphase lagen­ weise angeordnet ist.

6. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Zweitphase am Gesamtwerkstoff zwischen 5 und 60 Vol.-% beträgt.

7. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial eine Al-Legierung, vorzugsweise die Al- Legierung EN AW-6061 gemäß DIN EN 573 ist.

8. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial verschiedene Gefüge aufweist.

9. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial ein Verbundwerkstoff mit mindestens einer Drittphase ist.

10. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase an zumindest einigen Grenzflächen zum Basis­ material hin Verbindungen mit diesem aufweist.

11. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil im Kraftfluß angeordnet ist und gleichzeitig in der Art einer Membran für die Schallabstrahlung wirkt, insbe­ sondere für eine Ölwanne.

12. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein Flugzeug, ein Hubschrauber, eine Lokomoti­ ve und/oder ein Waggon einer Eisenbahn, oder ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Pkw oder ein Lkw ist.

13. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Pleuel, ein ein Zylinder- und ein Kurbelge­ häuse aufweisender Motorblock, ein Zylinderkopf, ein Getriebe- und/oder Automatikgehäuse, ein Kupplungsgehäuse, ein Aggregate­ träger, ein Motorträger, eine Sitzschiene, eine Sitzauflage, auf der Sitze aufliegen, ein Sitzrahmen, ein Ausgleichsgetrie­ be, insbesondere ein Differentialgehäuse ist.