DE19936882B4 - Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit Wandelementen (2, 3, 4, 9, 11), die einen zur Aufnahme von Fahrgästen dienenden Fahrzeuginnenraum (5) begrenzen, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eines der Wandelemente (3) den Körperschall reduzierend ausgebildet ist, indem es durch eine derartige Leichtbaustruktur gebildet ist und/oder aus einem derartigen Leichtbaumaterial besteht, dass die Dichte des Wandelementes (3) kleiner als die Dichte von Stahl ist, und
dass dieses Wandelement (3) derart dimensioniert ist, dass es zum einen eine größere Biegesteifigkeit (B) und zum anderen ein kleineres Gewicht als ein stattdessen anbringbares Wandelement aus Stahlblech aufweist, das eine für die Erfüllung üblicher Stabilitätsanforderungen erforderliche Biegesteifigkeit (B) besitzt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Personenkraftwagens mit Wandelementen, die einen zur Aufnahme von Fahrgästen dienenden Fahrzeuginnenraum begrenzen.
• Bei Fahrzeugen, insbesonderen bei Personenkraftfahrzeugen besteht der Wunsch, den Fahrzeuginnenraum schallisolierend auszugestalten, um eine Lärmbelästung der Fahrzeuginsassen zu vermeiden, wodurch der Fahrkomfort erheblich gesteigert wird. Der im Fahrzeuginnenraum wahrnehmbare Schall dringt dabei durch die den Fahrzeuginnenraum begrenzenden Wandelemente in diesen ein. Derartige Wandelemente sind im wesentlichen Fahrzeugscheiben, ein Fahrzeugboden, ein Fahrzeugdach, eine den Fahrzeuginnenraum vom Motorraum trennende vordere Stirnwand und eine den Fahrzeuginnenraum vom Kofferraum trennende hintere Stirnwand sowie Fahrzeugtüren.
• Um den Schalleintritt durch die Fahrzeugscheiben zu reduzieren, wurden bereits schallisolierte, insbesondere doppelverglaste Scheiben vorgeschlagen.
• Ein beträchtlicher Anteil des von außen in den Fahrzeuginnenraum eindringenden Schalls wird durch den Fahrzeugboden in den Fahrzeuginnenraum übertragen. Um diese Schallübertragung zu dämmen wird der Fahrzeugboden mit einem schallisolierenden Bodenbelag versehen.
• Die in der Akustik üblicherweise angewandten physikalischen Massengesetze besagen, daß eine große Masse eine entsprechend große Trägheit aufweist, so daß ein Körper mit einer großen Masse nur relativ schwer zu Schwingungen angeregt werden kann. Dies hat zur Folge, daß ein schwerer Körper relativ gute Dämmungseigenschaften aufweist. Konsequenterweise wird daher ein herkömmlicher Bodenbelag möglichst schwer ausgebildet, um die Gesamtmasse der aus Fahrzeugboden und darauf aufgelegtem Bodenbelag gebildeten Fahrzeugbodengruppe zu erhöhen, mit der Folge, daß dadurch die Schwingungserregung dieser Fahrzeugbodengruppe reduziert und die Übertragung von Schall in den Fahrzeuginnenraum gering gehalten werden kann.
• Im Hinblick auf ein Kraftfahrzeug mit möglichst niedrigem Kraftstoffverbrauch ergibt sich beim Wunsch, den Fahrkomfort des Fahrzeuges nicht zu beeinträchtigen ein Konflikt, denn eine wichtige Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches ist die Verringerung des Gesamtgewichtes des Fahrzeuges. Wenn im Rahmen der Gewichtsreduzierung beispielsweise der Fahrzeugboden statt aus Stahlblech aus einem Leichtmetall, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden soll, hat dies unter Berücksichtigung der vorgenannten Massengesetze zur Folge, daß der leichtere Boden mehr Schall in den Fahrzeuginnenraum überträgt. Um bei einem derartigen Leichtbauboden diesen Verlust an Schalldämmung auszugleichen, muß dieser Fahrzeugboden mit einem schwereren Bodenbelag ausgestattet werden. Durch diese Maßnahme wird die durch die Verwendung eines Leichtbaubodens theoretisch mögliche Ge wichtseinsparung in der Praxis durch Komfortanforderungen beträchtlich reduziert. Außerdem wird die Verwendung eines ohnehin teureren Leichtbaubodens durch den notwendigen Einsatz eines schwereren und somit gleichfalls teureren Bodenbelages zusätzlich verteuert. Auf diese Weise ergibt sich eine wirtschaftlich ungünstige Relation zwischen dem reduzierten Kraftstoffverbrauch gegenüber den zusätzlich aufzubringenden Herstellungskosten für das Fahrzeug.
• Die nachfolgenden Beispiele zeigen, wie im Stand der Technik bei vorgegebenen Werten für mechanische Beanspruchung und Stabilität Bauteile geschaffen werden, die ein möglichst geringes Gewicht aufweisen.
• Die DE 197 32 308 A1 beschreibt ein Trägerblech, das eine Struktur aus Lochblechsegmenten und ungelochten Blechsegmenten aufweist. Um die Lochbereiche schützend abzudecken, wird ein Folienformteil aus Kunststoff verwendet, das mit der Oberfläche des Trägerblechs flächig verbunden wird. Das Trägerblech wird entsprechend geformt und als Ersatz für ein aus Vollmaterial ausgebildetes Karosserieblech vor allem in Bereichen mit geringerer mechanischer Beanspruchung eingesetzt. Die Struktur des Trägerblechs wird insbesondere so ausgestaltet, dass im Vergleich zu einem konventionellen Stahlblech bei gleichbleibender oder unwesentlich reduzierter Festigkeit des Trägerblechs eine möglichst große Gewichtsreduzierung erzielt wird.
• In der DE 42 32 953 A1 ist ein Fertigungsverfahren zur Verstärkung von Fahrzeugkarosserien beschrieben. Um die mechanische Steifigkeit und Torsionsstabilität einzelner, mechanisch stark beanspruchter Bereiche der Karosserie bei geringst möglicher Gewichtszunahme zu erhöhen, wird auf das bereits fertiggestellte Karosserieblech eine zusätzliche Wabenstruktur mit biegesteifer Deckschicht auflaminiert.
• Aus der DE 197 40 102 A1 ist ein Hohlkörper bekannt, der ein Außenteil mit hoher Festigkeit und ein gut verformbares Innenteil mit geringem spezifischen Gewicht aufweist. Um einen leichten Hohlkörper zu erhalten, der eine im Vergleich zu einem aus schweren Material hoher Festigkeit bestehenden Hohlkörper gleiche Festigkeit aufweist, wird das Innenteil mit dem Außenteil durch Innenhochdruckumformung verbunden.
• Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine Fahrgastzelle der eingangs genannten Art anzugeben, die eine verbesserte Schalldämmungswirkung aufweist, ohne dass dazu ihre Masse vergrößert werden muß.
• Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Fahrgastzelle mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
• Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, wenigstens eines der Wandelemente dadurch Körperschall reduzierend zu gestalten, dass es biegesteifer ausgebildet wird als dies für die an dieses Wandelement gestellten Stabilitätsanforderungen erforderlich ist, wobei das Wandelement durch eine Leichtbaustruktur und/oder aus einem Leichtbaumaterial gebildet ist. Auf diese Weise kann das so gebildete Wandelement sowohl biegesteifer als auch leichter als ein stattdessen montierbares herkömmliches Wandelement aus Stahlblech ausgebildet werden. Gleichzeitig ergibt sich durch die erhöhte Steifigkeit des Wandelementes eine verbesserte Schallisolierung für den Fahrzeuginnenraum.
• Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass der im Fahrzeuginnenraum meßbare Schallpegel sich aus einem Luftschallanteil und aus einem Körperschallanteil zusammensetzt. Dabei wird unter Luftschall derjenige Schall verstanden, der durch Luftübertragung auf der Außenseite der Fahrgastzelle auf ein Wandelement auftrifft, dieses zu Schwingungen anregt und von diesem mehr oder weniger gedämmt auf der Innenseite der Fahrgastzelle in den Fahrzeuginnenraum abstrahlt. Der auf die Fahrgastzelle einwirkende Luftschall besteht im wesentlichen aus dem außerhalb des Fahrzeuges herrschenden Geräuschpegel und, insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten, aus aeroakustischen Geräuschen aufgrund der Fahrzeugumströmung. Im Unterschied dazu wird unter Körperschall derjenige Schall verstanden, der innerhalb des Fahrzeuges von einer Körperschallquelle erzeugt, in ein Wandelement eingeleitet und von diesem in den Fahrzeuginnenraum abgestrahlt wird. Körperschallquellen sind insbesondere alle mechanisch angetriebenen Elemente des Fahrzeuges, wie z.B. Verbrennungsmotor, Getriebe, Pumpen, Gebläse.
• Während die schallisolierende Wirkung eines Wandelementes gegenüber Luftschall aufgrund der dort ohne weiteres anwendbaren Massengesetze sich proportional zur Masse des Wandelementes verhält, sind die Massegesetze für die schallisolierende Wirkung eines Wandelementes gegenüber Körperschall nicht ohne weiteres anwendbar, vielmehr verhält sich die schallisolierende Wirkung des Wandelementes proportional zu dessen Biegesteifigkeit. Dies hat zur Folge, daß eine erhöhte Biegesteifigkeit bei einem Wandelement eine bessere schallisolierende Wirkung hinsichtlich Körperschall zur Folge hat. Wenn sich im Fahrzeug z.B. zeigt, daß die Schallübertragung einer Teilfläche, z.B. durch den Boden, vor allem durch die Anregung einer Körperschallquelle, z.B. durch den Antriebsstrang, und viel weniger durch eine Luftschallquelle, das ist insbesondere der Schallaußenpegel unter dem Boden, bestimmt wird, dann darf der Nachteil durch Leichtbau, der sich bei einer Luftschallanregung vorwiegend in einer reduzierten lokalen Luftschall-Dämmung des Bodens zeigt, gering eingestuft werden.
• Um bei einem Bauteil die Biegesteifigkeit zu erhöhen, muß im einfachsten Fall der Materialeinsatz, das heißt die Materialstärke vergrößert werden. Ein aus einem Leichtbaumaterial hergestelltes Bauteil weist bei gleicher Materialstärke regelmäßig eine kleinere Biegesteifigkeit auf als ein beispielsweise aus Stahl hergestelltes Bauteil. Daß bei der Verwendung von Leichtbaumaterialien dennoch ein Bauteil herstellbar ist, das einerseits leichter und andererseits biegesteifer als ein vergleichbares Bauteil aus Stahlblech ist, ergibt sich aus folgendem, zumindest für plattenförmige Bauteile bzw. Wandelemente geltende Zusammenhang: B ∼ E·d3,wobei:
  B = Biegesteifigkeit des Wandelementes,
  E = E-Modul des Wandmaterials,
  d = Wandstärke.
• Aus vorgenanntem Zusammenhang ergibt sich ohne weiteres, daß ein kleinerer E-Modul eines Leichtbaumaterials leicht durch eine etwas vergrößerte Materialstärke ausgeglichen bzw. überkompensiert werden kann, um eine größere Biegesteifigkeit zu erhalten. Je nach Auswahl des verwendeten Leichtbaumaterials verbleibt daher auch nach einer vergrößerten Materialstärke ein Gewichtseinsparungspotential.
• Wenn beispielsweise ein Wandelement aus Aluminium statt aus Stahl hergestellt wird, ergibt sich, wenn das Aluminiumwandelement so dimensioniert wird, daß es erfindungsgemäß eine höhere Biegesteifigkeit aufweist als erforderlich, zunächst eine geringere Gewichtseinsparung als bei kleinerer Biegesteifigkeit. Jedoch hat die durch die erhöhte Biegesteifigkeit verbesserte schallisolierende Wirkung zur Folge, daß weniger zusätzliche Dämmaterialen verwendet werden müssen, um den erwünschten Schallpegel im Fahrzeuginnenraum einzuhalten. Da diese zusätzlichen Dämmaterialien selbst ein hohes Gewicht aufweisen können, wie z.B. der Bodenbelag des Fahrzeugbodens, ergibt sich dadurch eine Gewichtseinsparung. Aufgrund dieser Wechselwirkung kann durch die Verwendung eines erfindungsgemäß ausgestalteten Leichtbauwandelementes insgesamt etwa dieselbe oder sogar eine größere Gewichtseinsparung erzielt werden als bei der Verwendung eines Leichtbauwandelementes, das in herkömmlicher Weise lediglich hinsichtlich der Stabilitätsanforderungen dimensioniert ist.
• Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Wandelement in einem Bereich der Fahrgastzelle angeordnet sein, in dem eine Kopplung der Fahrgastzelle mit einer Körperschallquelle des Fahrzeuges vorliegt. Da das erfindungsgemäß dimensionsierte Wandelement hinsichtlich seiner schallisolierenden Wirkung gegenüber Körperschall verbessert ist, kann in einem derartigen Bereich durch dieses Wandelement eine besonders große Gewichtseinsparung bei gleichzeitiger Verbesserung der schallisolierenden Wirkung erzielt werden. Insbesondere bei einem Personenkraftwagen bildet die Antriebsachse des Fahrzeuges eine Körperschallquelle, die nicht vollständig von der Fahrgastzelle entkoppelt werden kann. Dementsprechend wird das erfindungsgemäß ausgestaltete Wand element vorzugsweise in einem der Antriebsachse des Fahrzeuges zugewandten Bereich der Fahrgastzelle angeordnet.
• Ein besonders großes Gewichtseinsparungspotential sowie eine besonders große Verbesserung der schallisolierenden Wirkung kann dann erreicht werden, wenn das erfindungsgemäß ausgestaltete Wandelement entsprechend einer Weiterbildung als Fahrzeugboden oder als ein Teil des Fahrzeugbodens, der der Antriebsachse des Fahrzeuges zugewandt ist, ausgebildet ist.
• Leichtbaumaterialien, aus denen das Wandelement vorzugsweise gebildet werden kann, sind Leichtmetalle, zum Beispiel Aluminium, Leichtmetallegierungen, zum Beispiel Aluminiumlegierungen, Faserverbundkunststoffe, Glasfaserkunststoffe oder Kohlefaserkunststoffe sowie deren Laminate. Als Leichtbaustruktur wird für das Wandelement eine Sandwich-Konstruktion bevorzugt.
• Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Fahrgastzelle ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
• Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Die einzige 1 zeigt einen schematisierten Längsschnitt durch einen dem Fahrzeugboden zugeordneten Bereich einer Fahrgastzelle.
• Entsprechend 1 ist ein Fahrzeugboden 1 einer im übrigen nicht dargestellten Fahrgastzelle aus mehreren Wandelementen 2, 3 und 4 zusammengesetzt. Der dargestellte Bereich des Fahrzeugbodens 1 ist dem Fondbereich eines Personenkraftwagens zugeordnet, in dem in einem Fahrzeuginnenraum 5 Fondsitze 6 angeordnet sind. Die Fondsitze 6 sind auf dem Wandelement 4 montiert, das in herkömmlicher Weise aus einem Stahlblech hergestellt ist.
• Im dargestellten Ausführungsbeispiel soll der Personenkraftwagen einen Frontmotor und einen Heckantrieb aufweisen. Wie obenstehend angeführt bildet die Antriebsachse, hier also die Heckachse, des Fahrzeuges eine Körperschallquelle, die mit der Fahrgastzelle zur Übertragung von Schallwellen mehr oder weniger stark gekoppelt ist. Die Einleitung des Körperschalls in die Fahrgastzelle erfolgt hier im Bereich des den Fondsitz 6 stützenden Wandelementes 4 und ist durch einen Pfeil 7 symbolisch dargestellt.
• Vom Wandelement 4 aus Stahlblech wird der Körperschall auf das bei 8 damit, zum Beispiel durch Vernieten oder Verschweisen, verbundene Wandelement 3 übertragen. Dieses Wandelement 3 ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, daß seine Biegesteifigkeit B größer ist als es für die Erfüllung der an das Wandelement 3 gestellten Stabilitätsanforderung erforderlich ist. Da das Wandelement 3 jedoch so aufgebaut ist, daß seine Dichte kleiner als die Dichte von Stahl ist (beispielsweise besteht das Wandelement 3 aus Aluminium), kann das Wandelement 3 trotz seiner größeren Wandstärke leichter sein als ein entsprechendes, an die Stabilitätsanforderungen angepaßtes Wandelement aus Stahlblech. Aufgrund der erhöhten Biegesteifigkeit B kann der vom Wandelement 4 aus Stahl in das Leichtbauwandelement 3 eingeleitete Körperschall dieses weniger stark zu Schwingungen anregen, so daß sich bei dem im Fahrzeuginnenraum 5 meßbaren Schallpegel der Körperschallanteil reduziert.
• An einem von der Körperschallquelle abgewandten Ende schließt an das Leichtbauwandelement 3 das Wandelement 2 an, das wieder in herkömmlicher Weise aus Stahlblech hergestellt sein kann. Ebenso ist es möglich, daß sich das erfindungsgemäß ausgebildete Wandelement 3 bis in den Bereich einer vorderen Stirnwand der Fahrgastzelle hineinerstreckt, die den Fahrzeuginnenraum 5 von einem Motorraum abtrennt. Anstelle eines Materialwechsels zwischen dem Wandelement 3 und dem Wandelement 2 kann ebenso lediglich die Biegesteifigkeit B bzw. die Materialstärke im Bereich des Wandelementes 2 soweit reduziert sein, daß die an das Wandelement 2 gestellten Stabilitätsanforderungen erfüllt sind. Ruf diese Weise wird für die Fahrgastzelle eine Aufbau erreicht, der lediglich in Bereichen der Körperschalleinleitung diesbezüglich optimierte Wandelemente 3 aufweist, während in den übrigen Bereichen, in denen eine Isolierung gegenüber Luftschall von größerer Bedeutung ist, die Wandelemente in herkömmlicher Weise ausgebildet werden können.
• Die Wandelemente 2 und 4 bestehen aus Stahlblech und sind hier in herkömmlicher Weise nur hinsichtlich der an sie gestellten Stabilitätsanforderungen dimensioniert. Ein Wandele ment aus Stahlblech, das statt dem erfindungsgemäßen Leichtbauwandelement 3 am Fahrzeugboden anbringbar ist, hätte daher dieselbe Dicke wie die Wandelemente 2 und 4. In 1 ist die Wandstärke des Leichtbauwandelemenes 3 übertrieben groß dargestellt, um die Unterschiede zwischen den herkömmlichen Wandelementen 2 und 4 und dem Leuchtbauwandelement 3 besser herauszustellen.
• Andere Wandelemente, die ebenfalls den Fahrzeuginnenraum 5 begrenzen und sich in besonderer Weise für die erfindungsgemäße Ausgestaltung eignen, sind beispielsweise eine Querträgerwand 9 im Fußraum des Fondbereiches, die eine Sitzschale 10 zum Fahrzeuginnenraum 5 hin am Fahrzeugboden 1 abstützt, sowie eine hintere Stirnwand 11, die den Fahrzeuginnenraum 5 von einem nicht dargestellten Kofferraum trennt.

Claims (6)

1. Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit Wandelementen (2, 3, 4, 9, 11), die einen zur Aufnahme von Fahrgästen dienenden Fahrzeuginnenraum (5) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Wandelemente (3) den Körperschall reduzierend ausgebildet ist, indem es durch eine derartige Leichtbaustruktur gebildet ist und/oder aus einem derartigen Leichtbaumaterial besteht, dass die Dichte des Wandelementes (3) kleiner als die Dichte von Stahl ist, und dass dieses Wandelement (3) derart dimensioniert ist, dass es zum einen eine größere Biegesteifigkeit (B) und zum anderen ein kleineres Gewicht als ein stattdessen anbringbares Wandelement aus Stahlblech aufweist, das eine für die Erfüllung üblicher Stabilitätsanforderungen erforderliche Biegesteifigkeit (B) besitzt.
2. Fahrgastzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Wandelement (3) in einem Bereich der Fahrgastzelle angeordnet ist, in dem eine Kopplung der Fahrgastzelle mit einer Körperschallquelle des Fahrzeuges vorliegt.
3. Fahrgastzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Wandelement (3) in einem der Antriebsachse des Fahrzeuges zugewandten Bereich der Fahrgastzelle angeordnet ist.
4. Fahrgastzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Wandelement (3) als Fahrzeugboden (1) oder als der Antriebsachse des Fahrzeuges zugewandter Teilbereich des Fahrzeugbodens (1) ausgebildet ist.
5. Fahrgastzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Wandelement (3) aus Leichtmetall, zum Beispiel Aluminium, oder aus einer Leichtmetalllegierung, zum Beispiel Aluminiumlegierung, oder aus einem faserverstärkten Kunststoff (FVK), z.B. einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) oder einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), oder aus einem FVK-, GFK- oder CFK-Laminat gebildet ist.
6. Fahrgastzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Wandelement (3) eine Sandwich-Konstruktion aufweist.