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Einsatz granularer Medien zur Schall- und Schwingungsreduktion automotiver

Anwendungen

Fabian Duvigneau1, Sebastian Koch2, Elmar Woschke2, Ulrich Gabbert11 Lehrstuhl für Numerische Mechanik, Institut für Mechanik, Otto-von-Guericke-Universität,

39106 Magdeburg, Deutschland, Email: [email protected] Lehrstuhl für Technische Dynamik, Institut für Mechanik, Otto-von-Guericke-Universität,

39106 Magdeburg, Deutschland, Email: [email protected]

Einleitung

Das akustische Verhalten von Verbrennungsmotorenrückt bei der Entwicklung moderner Automobile immermehr in den Fokus. Dabei haben passive Maßnahmen zurReduktion der Schallemission eine besonders große Be-deutung. In einer vorangegangenen Studie [1] wurde dieApplikation von Aluminium- und Kunststoffschäumenauf einer Ölwanne hinsichtlich des Potentials zur passi-ven Schalldämmung untersucht. Allerdings führte dieserAnsatz lediglich zu einer geringen Schallpegelreduktion.Des Weiteren wurde in [2] eine Motorvollkapselunguntersucht, welche sich als sehr effizient erwies undbreitbandig zu einer Reduktion der abgestrahlten Schall-leistung von ca. 12 dB(A) führte.Im vorliegenden Beitrag wird ein alternatives Konzeptzur passiven Schwingungsdämpfung vorgestellt, dasim Wesentlichen die hohe innere Reibung granularerMedien als Dissipationsquelle ausnutzt. Ziel ist es,direkt den Strukturschwingungen als Ursache derakustischen Emissionen entgegenzuwirken, anstattmittels Dämmungen oder Ähnlichem deren Wirkungzu bekämpfen. Die Ölwanne ist eine der dominantestenSchallquellen eines Verbrennungsmotors. Aus diesemGrund wird nachfolgend eine zweiteilige Ölwanne einesDieselmotors als Anwendungsbeispiel verwendet. DieEffizienz des vorgestellten Konzeptes wird anhandeines Ölwannendeckels demonstriert, der eine Kavitätaufweist, die mit Granulat befüllt und anschließendverschlossen werden kann. Als Granulat dient im vorlie-genden Beitrag Sand, der viele Vorteile aufweist. Sandist billig, fast überall verfügbar, alterungsbeständig,umweltunbedenklich und die Recyclebarkeit stellt keinProblem dar.In Voruntersuchungen wurde gezeigt, dass dieDämpfungswirkung von Sand sehr viel höher istals die von Wasser und die erreichte Schwingungsre-duktion neben der Wirkung der zusätzlichen Massemaßgeblich auf der inneren Reibung des granularenMediums beruht [3].Im Beitrag wird zunächst die verwendete Ölwanne undder speziell entwickelte Ölwannenboden vorgestellt.Danach wird der Versuchsaufbau erläutert und die Er-gebnisse diskutiert. Dabei steht neben der erreichbarenReduktion der Schwingungsamplituden auch insbeson-dere der Leichtbau im Fokus. Für die experimentelleSchwingungsanalyse der verschiedenen Ölwannenbödenwird ein 1D-Laservibrometer verwendet.

Deckeldesign

In Abb. 1 ist der entwickelte Prototyp einesÖlwannendeckels dem Originaldesign gegenübergestellt.Der obere Teil der Ölwanne wird unverändert beibehal-ten. Alle Deckelvarianten sind aus Aluminium gefertigtund werden mit Hilfe identischer Schrauben immer aufdie gleiche Weise am oberen Ölwannenteil befestigt.

Oberer Teil der Ölwanne

Originaldeckel

Deckelprototyp I

Abbildung 1: Gegenüberstellung des Orignaldeckels und desPrototypen

Ein detaillierterer Einblick in das Design des Prototypswird in Abb. 2 gegeben. Die Konstruktion des Deckel-prototyps wurde bewusst einfach gehalten und völlig oh-

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ne Designoptimierung oder Versteifungsmaßnahmen kon-zipiert. Die Hauptbestandteile sind zwei Platten glei-cher Dicke, sowie geschraubte Abstandhalter zur Erzeu-gung der gewünschten Kavität. Einer dieser Abstandhal-ter wurde während der Untersuchungen zum Be- undEntfüllen genutzt (siehe Abb. 2).

Abstandshalter zum Be- und Entfüllen

Abstandshalter

Reflexionsfolie

Abbildung 2: Entwickelter Ölwannendeckelprototyp mitbefüllbarer Kavität

Für alle Untersuchungen wird der gleiche Sand verwen-det (siehe Abb. 3). Der Prototyp in Abb. 2 kann 760 gdieses Sandes fassen. Es handelt sich um ein Sandgemischauf Siliziumbasis mit einer nicht einheitlichen Korngröße,wie in Abb. 3 zu erkennen ist. Der mittlere Korndurch-messer beträgt 0.3 mm. Nach DIN ISO 4324 ergibt sichein Schüttwinkel von 31◦. Letzterer kann als ein Maß fürdie Reibung granularer Materialien verwendet werden,um die Dämpfungsfähigkeit verschiedener Granulate zubewerten.

Abbildung 3: Der als Füllmaterial verwendete Sand

Versuchsaufbau

Der Versuchsaufbau zur Messung der Schwingungen desjeweiligen Ölwannenbodens ist in Abb. 4 dargestellt.

Abbildung 4: Versuchsaufbau zur Schwingungsmessung des

Ölwannenbodens mittels Laservibrometer

Zur Ermittlung der Schwingungsamplituden wird einLaservibrometer (PSV-400) der Firma Polytec verwen-det, das senkrecht zur Messebene ausgerichtet wird,um mögliche Messungenauigkeiten gering zu halten. DieÖlwanne ist mit Hilfe von Fäden frei-frei aufgehängt.Dabei wurde der Ölwannenboden horizontal ausgerich-tet. Während der verschiedenen Versuche bleibt derobere Teil der Ölwanne und deren Lagerung stets un-verändert; ausschließlich der angeschraubte Deckel wirdausgetauscht. Auch der Anregungspunkt am oberen Teilder Ölwanne bleibt identisch. Die Anregung erfolgtdurch einen Impulshammerkopf, der auf einen elektro-dynamischen Schwingungserreger montiert ist. Auf die-se Art und Weise ist eine reproduzierbare Erregungohne Veränderung der Randbedingungen der Ölwannegewährleistet. Ziel ist es, sekundäre Körperschallpfade zuvermeiden. Zusätzlich ist der Schwingungserreger aus die-sem Grund auf einem separatem Aluminiumrahmen be-festigt (siehe Abb. 4). Der Kraftsensor im Hammerkopf

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Am

plitu

de [d

B]

Frequenz[Hz]

OriginaldeckelDeckelprototyp I, leerDeckelprototyp I, gefülltLeichtbaudeckel, leerLeichtbaudeckel, gefüllt

Abbildung 5: Vergleich der verschiedenen Deckelvarianten hinsichtlich der Schwingungsantwort

wird genutzt, um die Übertragungsfunktionen der jewei-ligen Konfiguration zu bilden. Folglich ist durch iden-tische Randbedingungen, einen identischen Anregungs-punkt und die Berücksichtigung der Erregeramplitude ei-ne optimale Vergleichbarkeit der verschiedenen Konzeptegegeben.

Ergebnisse

Es wurden fünf verschiedene Deckelkonfigurationenvermessen: der Originaldeckel, der in Abb. 2 gezeigtePrototyp I mit und ohne Sandfüllung sowie eine Leicht-bauvariante des Prototyps I mit und ohne Sandfüllung.In diesem Beitrag wurden ausschließlich Vollfüllungenbetrachtet; in [3] wurden zusätzlich auch Teilfüllungenuntersucht.Die Leichtbauvariante ist notwendig, um zu zeigen,dass das präsentierte Konzept auch unter der Neben-bedingung, die Masse des Originaldeckels nicht zuüberschreiten, sehr gute Resultate liefert. Hinsichtlichder Konstruktion sind beide Varianten nahezu baugleich.Lediglich die Plattendicke wurde von 4 mm auf 1 mmreduziert und die Höhe der Kavität von 11 mm auf 5 mmverringert. Die Leichtbauvariante kann im Gegensatzzum Prototyp I nur 347 g anstatt 760 g des verwendetenSandes fassen. Die Masse des Leichtbaudeckels beträgtleer 553 g und gefüllt 900 g. Der Leichtbaudeckel ist195 g bzw. 17.8 % leichter als der 1095 g schwereOriginaldeckel. Der Prototyp I weist hingegen leer eineMasse von 1994 g auf und wiegt mit Füllung 2754 g.In Abb. 5 sind die über alle Messpunkte gemitteltenAntwortspektren der verschiedenen Deckelvariantengegenübergestellt. Zusätzlich sind in Tab. 1 die Ma-ximalwerte, die im Frequenzspektrum der jeweiligenKonfiguration auftreten, und in Tab. 2 die Mittelwerteder Spektren aufgelistet. Die Unterschiede der jeweiligen

Konfiguration zum Originaldeckel sind in den Tabellenebenfalls mit angegeben.

Tabelle 1: Maximalwerte der Schwingungsantwort der ver-schiedenen Deckelkonfigurationen und deren Unterschiedezum Originaldeckel

Konfiguration Maximal- Diff. zumwert Max. Orig.

Originaldeckel 148.24 dBPrototyp I, leer 134.84 dB -13.40 dBPrototyp I, gefüllt 109.55 dB -38.69 dBLeichtbaudeckel, leer 147.24 dB -1.00 dBLeichtbaudeckel, gefüllt 121.78 dB -26.46 dB

Tabelle 2: Mittelwerte der Schwingungsantwort der verschie-denen Deckelkonfigurationen und deren Unterschiede zumOriginaldeckel

Konfiguration Mittelwert Diff. zuMW Orig.

Originaldeckel 113.38 dBPrototyp I, leer 105.52 dB -7.86 dBPrototyp I, gefüllt 92.83 dB -20.55 dBLeichtbaudeckel, leer 115.52 dB +2.14 dBLeichtbaudeckel, gefüllt 105.10 dB -8.28 dB

Die Abb. 5 zeigt, dass der Leichtbaudeckel ohne Füllung(graue Linie) aufgrund seiner nachgiebigeren Strukturim Frequenzbereich bis 2000 Hz deutlich mehr Eigen-frequenzen aufweist als die anderen beiden Varianten.

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Der sehr viel steifere Prototyp I (blaue Linie) weistallerdings ebenfalls wesentlich mehr Eigenfrequenzen aufals der originale Deckel, was durch die Plattenstrukturdes Prototyps I im Vergleich zur optimierten dreidi-mensionalen Struktur des Originaldeckels (inklusiveVersteifungselementen) begründet werden kann. Diedurch die Sandfüllung induzierte Dämpfung ist in beidenFällen so hoch, dass viele der Eigenfrequenzen gar nichtmehr detektierbar sind.Es ist klar zu erkennen, dass die Antwortspektrender gefüllten Konfigurationen nahezu im gesamtenbetrachteten Frequenzbereich deutlich unter denen ohneFüllung liegen. Lediglich bei der Leichtbauvariante zeigtdie Frequenzantwort mit Füllung in einigen Frequenzenunterhalb von 450 Hz größere Amplituden. Der gefülltePrototyp I (grün gestrichelte Linie) ist im gesamten Fre-quenzbereich stets die beste Konfiguration. Allerdingsist auch die ungefüllte Variante des Prototyps bereitsbesser als der Originaldeckel. Dies wird auch anhand derim Spektrum auftretenden Maximalwerte (siehe Tab. 1)und dem Mittelwert des Antwortspektrums (siehe Tab.2) deutlich. Dabei liegt der Maximalwert des ungefülltenPrototypen mit 134.84 dB bereits 13.4 dB unter demdes Originaldeckels. Der Mittelwert des ungefüllten Pro-totyps ist um 7.86 dB kleiner. Die Sandfüllung reduziertden Maximalwert noch einmal um weitere 25.29 dBund den Mittelwert um weitere 12.69 dB. Die Ursachedafür, dass bereits der ungefüllte Prototyp I besser alsder Originaldeckel ist, liegt in der Überdimensionierungdieses ersten Prototyps, der ungefüllt bereits etwa zweiKilogramm schwer ist und aus einem Plattenverbund vonzwei 4 mm dicken Aluminiumplatten besteht, währendder Originaldeckel in manchen Bereichen lediglich eineDicke von 3-4 mm aufweist. Die Leichtbauvariante wurdeuntersucht, um zu zeigen, dass das präsentierte Konzeptauch für ein gewichtsoptimiertes Bauteil attraktiv ist.Im Gegensatz zum Prototyp I ist die Leichtbauversionohne Füllung nicht besser als der Originaldeckel. DerMittelwert des ungefüllten Leichtbaudeckels ist etwa2 dB höher als beim Originaldeckel, während derauftretende Maximalwert 1 dB geringer ist als beimOriginaldeckel. Die Sandfüllung des Leichtbaudeckelsbewirkt im Vergleich zur ungefüllten Variante eineSenkung des Maximalwertes um 25.46 dB und des Mit-telwertes um 10.42 dB. Somit zeigt der Leichtbaudeckelmit Sandfüllung wesentlich geringere Schwingungs-amplituden als der Originaldeckel und ist gleichzeitignoch 17.8 % leichter. Beim Vergleich des Prototyps Imit Sandfüllung mit dem gefüllten Leichtbaudeckelfällt auf, dass die 760 g Füllung des Prototyps I zwarerwartungsgemäß eine größere Reduktion verursacht,aber die 347 g Füllung des Leichtbaudeckels im Vergleichzur jeweiligen ungefüllten Konfiguration bereits eine fastebenso große zusätzliche Reduktionen verursacht. Es be-steht hier ein offensichtliches Optimierungspotential derFüllmenge in Kombination mit dem Deckeldesign. Diessoll in weiterführenden Studien näher untersucht werden.

Zusammenfassung

Im Beitrag wurde ein Konzept zur Schwin-gungsdämpfung präsentiert, das die vorteilhaftenDämpfungseigenschaften granularer Materialien aus-nutzt. Zur Demonstration wurde Sand als granularesMedium genutzt. Sand hat viele Vorteile, wie bei-spielsweise den Preis, die Verfügbarkeit und dieUmweltfreundlichkeit. Die hohe Wirksamkeit von Sandwurde experimentell mit Hilfe von Schwingungsmes-sungen nachgewiesen. Die entwickelte Leichtbauversioneines Ölwannendeckels mit sandgefüllter Kavität ist17.8 % leichter als der Originaldeckel und senkt dieSchwingungsamplituden im Mittelwert um etwa 8 dBund im Maximalwert um über 26 dB im Vergleich zumoriginalen Ölwannendeckel ab.Die Untersuchung verschiedener Sandarten mit un-terschiedlichen Korngrößen als Füllmaterialien so-wie die gezielte Studie von definiert teilgefülltenHoneycomb-Strukturen ist Teil aktueller Untersuchun-gen. Honeycomb-Strukturen bieten dabei nicht nurdie Möglichkeit zur definierten Teilfüllung, sondernzeichnen sich durch ein geringes Gewicht und einesehr hohe Steifigkeit aus. Zukünftig ist geplant, diedaraus entstehenden Konzepte an einem laufendenVerbrennungsmotor zu applizieren und hinsichtlichder resultierenden Schallabstrahlung mit Hilfe einesMikrofonarrays an einem Motorprüfstand zu vermessen.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich für die Förderung derArbeiten im Rahmen des Verbundprojektes

”COmpe-

tence in MObility – Automotive“, das mit Geldern desEuropäischen Strukturfonds und des Landes Sachsen-Anhalt gefördert wird.

Literatur

[1] Schrader, P.; Duvigneau, F.; Luft, T.; Gabbert, U.;Rottengruber H.: Development, Simulation and Ex-perimental Investigation of a Function-Integrated andFoam Damped Oil Pan for a Two Cylinder Diesel En-gine. 44th International Congress and Exposition onNoise Control Engineering – InterNoise 2015.

[2] Duvigneau, F.; Luft, T.; Hots, J.; Verhey, J.L.; Rot-tengruber H.; Gabbert, U.: Thermo-acoustic perfor-mance of full engine encapsulations - A numerical, ex-perimental and psychoacoustic study. Applied Acou-stics, Volume 102, 15 January 2016, Pages 79-87.DOI: 10.1016/j.apacoust.2015.09.012.

[3] Duvigneau, F.; Koch, S.; Woschke, E.; Gabbert, U.:An effective vibration reduction concept for auto-motive applications based on granular-filled cavi-ties. Journal of Vibration and Control, 2016. DOI:10.1177/1077546316632932.

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