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Kiener Maschinenbau GmbH„Entwicklung eines umweltfreundlichen,
metallischen Lärm- und Hitzeschildes für LKW-Fahrerhäuser auf der
Basis von Poroblech“
Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem AZ 27647 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
Projektleiter: Dipl.-Kfm. techn. Jürgen Kiener Tel.: 07363/950-115 Fax.: 07363/950-362 Email: [email protected] Laufzeit des Vorhabens: vom 26.11.2009 bis 30.04.2011 Lauchheim, den 24.10.2011
„Entwicklung eines umweltfreundlichen, metallischen Lärm- und Hitzeschildes für LKW-Fahrerhäuser auf der Basis von Poroblech“
Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem AZ 27647 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
Projektleiter: Dipl.-Kfm. techn. Jürgen Kiener Tel.: 07363/950-115 Fax.: 07363/950-362 Email: [email protected] Laufzeit des Vorhabens: vom 26.11.2009 bis 30.04.2011 Lauchheim, den 24.10.2011
11/99 Projektkennblatt
Hitzeschildes für LKW-Fahrerhäuser auf der Basis von Poroblech
Stichworte Produkt Fahrzeug, Lärm
Zwischenberichte 31.05.2010,
Tel 07363/950-115 Fax 07363/950-362 Projektleitung Jürgen Kiener Bearbeiter Jürgen Kiener
Kooperationspartner keine
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Die Belastung der Fahrer von LKW ist durch die Einwirkung von Hitze und Lärm besonders im Fernverkehr sehr hoch. Die Quellen der Umweltbelastung in der Fahrerkabine sind der Motor und die angeschlossenen Aggregate. Grund ist die meist unbefriedigende Isolierung der Fahrerkabine gegenüber den Antriebsaggregaten, die sich bei modernen LKW meist unmittelbar unter der Fahrerkabine befinden. Die Entwicklung eines metallischen Lärm- und Hitzeschildes aus Poroblech verspricht hier erhebliche Vorteile gegenüber den heutigen Lösungen. Kern der angestrebten Lösung ist eine neuartige Erfindung, das so genannte „Poroblech“. Bei dem patentierten Material handelt es sich um ein auf definierte Dicke gewalztes Metallgewebe, das auf Grund seiner porösen Struktur schalldämpfende Eigenschaft besitzt und in Verbindung mit anderen Materialien sehr gut als Schall- und Hitzeschutzschild eingesetzt werden kann. Im beantragten Projekt soll ein modulares Lärm- und Hitzeschildsystem aus Poroblech entstehen, das sich aus standardisierten Elementen aufbauen lässt. Diese Lösung hat den Vorteil, dass daraus mit geringem Aufwand viele Varianten hergestellt werden können.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Das Projekt wurde in 4 Phasen unterteilt. Jede Projektphase enthielt mehrere Arbeitspakete: 1 Planung AP 1.1 Klären der Aufgabenstellung Im Vorfeld der Entwicklung wurden u.a. Kundenanforderungen hinterfragt. Hierbei wurden auch die Schwachstellen des bisherigen Systems aufgezeigt. Diese Arbeiten wurden in einem interdisziplinären Team durchgeführt, das zusammengesetzt wird aus Vertretern der Konstruktion, der Fertigung, der Montage und des Projektpartners Spedition Brucker. AP 1.2 Anforderungsliste Die im AP 1.1 erarbeiteten Informationen und Unterlagen fanden Eingang in eine Anforderungsliste, die die Basis bildete für die Konzeptphase. AP 1.3 Detaillierter Terminplan Zur genauen Planung der zeitlichen Abläufe, der verfügbaren und benötigten Kapazitäten und zur Reservierung der Fertigungsanlagen wurde ein detaillierter Terminplan erstellt. 2 Konzeption AP 2.1 Teilfunktionen und Baugruppen Der Schallabsorber besteht aus den Teilsystemen: Absorber und Befestigung / Halterung AP 2.2 Suche nach Lösungsprinzipien Für die beiden Teilsysteme wurden basierend auf den Ergebnissen der Ist-Zustandsanalysen Lösungsprinzipien erarbeitet. Für den Absorber sind insbesondere zu betrachten: Materialien, alternative Sandwich-Bauweisen und Oberflächenstrukturen. Für die Befestigungssysteme sind die gefundenen Verhältnisse an den LKWs maßgebende Einflussgrößen für die geometrische Auslegung. Grundlegend wurde aber untersucht, wie vermieden werden kann, dass sich Körperschall von den Anbauteilen auf den Absorber übertragen, um zu vermeiden, dass dieser seinerseits zu einer Schallquelle wird. Hierzu wurden spezielle Versuchaufbauten zur Ermittlung des Verlustfaktors der Körperschallweiterleitung bei Einsatz von Poroblech hergestellt. AP 2.3 Akustische Modellbildung Untersuchungen zum Wirkprinzip der gefundenen Lösungsprinzipien und Berechnung am PC für ein- und mehrlagige Absorber. Optimierung hinsichtlich der Parameter der Schichtenfolgen für maximale Absorption und minimale Transmission. AP 2.4 Morphologischer Kasten Die günstigsten Lösungsprinzipien wurden in einem so genannten morphologischen Kasten zusammengefasst. Hierbei entstanden eine Vielzahl von realisierbaren Lösungen, die hinsichtlich Machbarkeit und erwarteter Zielerreichung bewertet werden. AP 2.5 Konzeptvarianten Es wurden die aussichtsreichsten Konzeptionen die unterschiedliche Einbauverhältnisse untersucht. Trotz der Vorgabe, einen modularer Aufbau und mögliche bzw. notwendige Standardisierung der Module zu erreichen, zeigte sich sehr schnell die Notwendigkeit einer späteren Variantenkonstruktion. AP 2.6 Patent- und Schutzrechte Bestehenden Schutzrechte und eine ergänzende Patent- und Gebrauchsmusterrecherche wurden durchgeführt. AP 2.7 Anfertigung und schalltechnische Untersuchung von Versuchsmustern Basierend auf den Vorarbeiten wurden für die aussichtsreichsten Varianten Versuchsmuster hergestellt, die dann im Labor schalltechnisch untersucht wurden. Ein Abbruch des Projektes wurde aufgrund der Erfolg versprechenden Konzeptionen ausgeschlossen. AP 2.8 Prototyp Nach Vermessung der hergestellten Handmuster wurde ein einbaufähiger Prototyp hergestellt und nach Einbau in ein Fahrzeug einem realitätsnahen Praxistest unterzogen. Insbesondere wurden während der Probefahrten Lärm- und Temperaturmessungen in der Kabine vorgenommen und mit identischen Messungen vor Einbau des Schallabsorbers - Prototyps verglichen. Zusätzlich wurde eine Testreihe im Labor der Daimler AG durchgeführt. AP 2.9 Kundenbefragung Das Projekt wurde verschiedenen Anwendern vorgestellt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden in das bestehende Konzept eingearbeitet. AP 2.10 Pflichtenheft Nach der Festlegung des endgültigen Konzepts und der Berücksichtigung der Kundenwünsche aus der Kundenbefragung wurde die bestehende Anforderungsliste zu einem detaillierten Pflichtenheft erweitert.
3 Entwurf AP 3.1 Maßstäblicher Entwurf Im endgültigen maßstäblichen Entwurf wurde das Konzept soweit konkretisiert, dass die notwendigen Fertigungsdokumente wie Einzelteilzeichnungen, Aufbaupläne und CAD-Produktmodelle abgeleitet werden konnten. Dabei zeigte sich auch die Möglichkeit einer Variantenkonstruktion. AP 3.2 Materialfestlegung und Dimensionierung Hier erfolgte die Festlegung der zu verwendenden Materialien und die Dimensionierung der Bauteile. AP 3.3 Festigkeitsberechnungen, Strukturuntersuchungen Nach Festlegung der wichtigsten Parameter insbesondere für die Befestigungselemente wurden diese auf ihre Belastbarkeit hin überprüft. Dabei wurde festgestellt, dass diese den spezifischen Anforderungen im LKW genügen. AP 3.4 Fertigungsprüfung Die vorhandenen Betriebsmittel sind für die Herstellung der Einrichtungsteile geeignet. AP 3.5 Endgültiger Entwurf Im endgültigen Entwurf wurden alle Erkenntnisse der Arbeitspakete 3.2 bis 3.4 eingearbeitet. AP 3.6 Prototypenprüfung Die Prototypenprüfung berücksichtigte die Vorgaben des vorher festgelegten Erprobungsprogrammes. Aufgrund der gewonnen Erkenntnisse wurde zu diesem Zeitpunkt auch die wirtschaftliche Komponente des Projektes betrachtet. Dabei zeigten sich vor allem in Bezug auf die Materialkosten große Defizite bzgl. der Vermarktung eines solchen Lärm- und Hitzeschildes. 4 Dokumentation AP 4. Projektdokumentation und Schlussbericht Im Schlussbericht wurden alle gewonnenen Ergebnisse zusammenfassend dokumentiert.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
Ergebnisse und Diskussion Das Projekt zielte darauf ab, einen Lärm- und Hitzeschild für LKW Fahrerhäuser zu entwickeln. Die dabei durchgeführten Testreihen und Versuchsaufbauten zeigten in bezug auf die Hitzeschildfunktion deutliche Fortschritte durch den Einsatz von Poroblech. In Bezug auf die Thermoergebnisse zeigte der Einbau der Einsatz des Unterbodens bestehend aus Poroblech und einer Aluminium – Knitterfolie eine starke Temperaturabsenkung von über 25 C°. Dies werten wir als erheblichen Fortschritt. Allerdings zeigten die Schallpegelergebnisse bei den durchgeführten Messungen am Fahrzeug nur eine leichte Innengeräuschreduzierung im Fahrerhaus, die jedoch nicht den Erwartungen entspricht und deshalb in einer weiteren Optimierungsschleife noch verbessert werden müssen. Die durchgeführte Variantenkonstruktion für unterschiedliche LKW-Baureihen muss für eine Serientauglichkeit eines Lärm- und Hitzeschildes auf Basis von Poroblech weiterverfolgt werden, allerdings ist vor allem in Bezug auf die Reduzierung der Herstellkosten ein wesentlicher Fokus zu setzen. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation keine Fazit Das entwickelte Lärm- und Hitzeschild zielt darauf ab, Lärm- und Hitzeeinwirkung der Antriebsaggregate eines LKW auf den Innenraum des Fahrerhauses zu reduzieren. Lärm wird dabei nicht nur zurück gehalten sondern absorbiert. Die aus den Antriebsaggregaten kommende Wärme wird dabei schnellstmöglich an die Umgebung abgeleitet, respektive vom Fahrerhaus fern gehalten. Die Messergebnisse zeigen dabei eine Absenkung der Temperatur um über 25°C. Dieses Entwicklungsziel ist deshalb als Erfolg zu bewerten. Die Reduzierung des Schalls innerhalb des Fahrerhauses bzw. an die Umgebung abstrahlenden Lärms ist in den ersten Versuchsreihen nicht in dem erhofften Ausmaß gelungen. Gründe hierfür sind vor allem in dem breiten Frequenzspektrum zu sehen, das von den Antrieben und Fahrgeräuschen erzeugt wird und mit einfachen Mitteln nicht absorbiert werden kann. Die Schallabsorption gelingt bei den so genannten λ/4-Absorbern nur, wenn die die Schallwellen „bremsenden“ Poren im Abstand von einem Viertel der Wellenlänge wirksam werden. Bei niederfrequentem Schall führt dies entweder zu erheblichen Baugrößen oder deutlichem Verlust an Effizienz. Bei hochfrequentem Schall sind dagegen nur geringe Baugrößen notwendig. Der benötigte Kompromiss in der Bauart muss in weiteren Versuchsaufbauten genauere analysiert werden, um allen Einfluss- und Zielgrößen gerecht zu werden. Dies erfordert sowohl die weitere Suche nach geeigneten Materialien, als auch Optimierung von Porengröße, Oberflächenstruktur, Geometrie, Anzahl von absorbierenden Lagen und Füllstoffen. Daraus lässt sich voraussichtlich für bestimmte Frequenzen ein Ergebnis finden, das den Zielvorstellungen gerecht wird. Auf Grund der bisher gemachten positiven Versuchsergebnisse, sind wir der Auffassung, dass mit dem Aufbau einer weiteren Entwicklungsschleife akustische Hitzeschilder schon in einem Versuchsfahrzeug dauerhaft getestet werden können. Bezüglich der Vermarktung ist ein wesentlicher Risikofaktor der Preis für die eingesetzten Materialien, insbesondere für Metalle, der sich derzeit ständig verändert. Preissteigerungen müssen auf die Endprodukte umgelegt werden. Bei deutlich höheren Verkaufspreisen würde die Akzeptanz der Leichtbauprodukte im Kundenkreis schwinden. Bei der aktuellen Literatur- und Patentrecherche sind uns von dritter Seite bisher keine adäquaten akustischen Hitzeschilder für LKW- Fahrerhäuser bekannt geworden. Wir haben geplant, den akustischen Hitzeschild nach vorgeschrittener Entwicklung beim Deutschen Patent und Markenamt anzumelden.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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3.2.1 Erstellung von Schallpegeldiagrammen für die unterschiedlichen Absorbersysteme 11 3.2.2 Messung des Schallabsorptionsgrades α in Funktion zum Abstand zur Schallhart- reflektierenden Wand.................................................................................................................... 12 3.2.3 Messung des Absorptionsgrad α in Funktion zum Hohlraum- Abstand d................... 12 3.2.4 Absorptionsgrad α- Verbesserung durch Noppung des Gewebeabsorbers ............... 13 3.2.5 Herleitung der Luft- Resonanzfrequenz Gleichung fo aus der Helmholtz- Resonanzgleichung ...................................................................................................................... 14
3.3 Konstruktion des Sandwichsaufbaues ................................................................................. 20 3.3.1 Bauteilanforderungen .................................................................................................. 20 3.3.2 Konstruktion des Sandwichsaufbaues: ....................................................................... 20
3.4 Schallabsorptions-Messung im Impedanzrohr..................................................................... 22 3.5 Schallabsorptions-Messungen in der Alphakabine.............................................................. 23 3.6 Hochdruckreinigungsversuch............................................................................................... 26 3.7 Salzspühtest......................................................................................................................... 26 3.8 Test der Hitzeschildfunktion................................................................................................. 27 3.9 Auswertung der akustischen Messreihen und Zwischenfazit .............................................. 28 3.10 Weiterführende Testreihen................................................................................................... 28 3.11 Entwicklung eines akustisches – Hitzeschildes für LKW ..................................................... 33 3.12 Ergebnisdarstellung ............................................................................................................. 38 3.13 Variantenkonstruktion .......................................................................................................... 39
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b Spaltlänge D Dicke d Hohlraum- Abstand fo Frequenzbereich K Federkonstante Km Mündungskorrektur M Masse m’ Flächenmasse p Dichte r’ Strömungswiderstand s’ Steifigkeit So Spaltfläche Sp Spalt v Schallschnelle Vo Volumen X Grenzschichtparameter α Absorptionsgrad δ Grenzschichtdicke Verlustfaktors Ξ Reibung σ Lochflächenverhältnis τs Schalltransmission
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1 Zusammenfassung Gegenstand und Ziel des FuE- Vorhabens ist die Entwicklung eines leichten und robusten akustischen Hitzeschildes aus Sandwichplatten in modularer Kastenbauform, welches von den bisherigen Bauformen und eingesetzten Materialien abweicht. Zielsetzung war die Absenkung der Innenraumtemperatur im Fahrerhaus, um hierdurch eine Kraftstoffeinsparung durch Vermeidung unnötiger Klimatisierung zu erreichen. Des Weiteren sollte das Innenraumgeräusch, und den an die Umgebung abgegebenen Lärm verhindert werden. Hierbei wurden in verschiedenen Entwicklungsstufen grundlegende Sandwichaufbauten entwickelt, und auf den möglichen Einsatzzweck LKW-Fahrerhaus optimiert. Hierbei sind vor allem Impedanzrohr- und Alphakabinenmessungen zu erwähnen. Anschließend wurden diese Ergebnisse auf einen LKW-Unterboden übertragen und verschiedene Prototypen ganz oder teilweise eingebaut. In Bezug auf die Thermoergebnisse zeigte der Einbau der der Al – Knitterfolie eine starke Temperaturabsenkung von über 25 C° an einzelnen Messpunkten. Dies ist als absoluter Erfolg zu betrachten. Die Schallpegelergebnisse bei den durchgeführten Messungen am Fahrzeug zeigen nur eine leichte Innengeräuschreduzierung im Fahrerhaus. Diese Ergebnisse könnten in einer weiteren Optimierungsschleife noch verbessert werden. Zur Optimierung der Schallpegelergebnisse muss eine erweiterte Materialauswahl in betracht gezogen werden, um ein Optimum an Absorption und Baugröße zu erreichen, respektive ein möglichst breites Frequenzband abgedeckt werden kann. Zusätzlich muss die gesamte Einbausituation neu überdacht werden, da es sich in einem ersten Verwertungsplan nur um eine Nachrüstung bestehender Fahrzeuge handeln kann. Zur Durchführung der Test wurden wir von folgenden Firmen unterstützt:
- Daimler Benz AG - Rieter automotive - HP Pelzer - Spedition Brucker
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2 Einleitung
2.1 Ausgangssituation Die Belastung der Fahrer von LKW ist durch die Einwirkung von Hitze und Lärm besonders im Fernverkehr sehr hoch. Die Quellen hierfür sind der Motor und die angeschlossenen Aggregate. Grund ist die meist unbefriedigende Isolierung der Fahrerkabine gegenüber den Antriebsaggregaten, die sich bei modernen LKW meist unmittelbar unter der Fahrerkabine befinden. Durch Kontakte zu Spediteuren und Herstellern von LKW wurde Kiener auf die Problematik der unzureichenden Isolation der Fahrerhäuser gegen Lärm und Hitze aufmerksam. Die Anwendung von Poroblech als metallisches Lärm- und Hitzeschild verspricht hier erhebliche Vorteile gegenüber den heutigen Lösungen. Ein wesentlicher Hinderungsgrund für die Anwendung von Poroblech in den Fahrerkabinen besteht darin, dass für die großflächige Auskleidung der Fahrerhäuser große Bauteile erforderlich sind, die den stark zerklüfteten Räumen angepasst werden müssen. Es ist wegen der hohen Kosten für die erforderlichen Werkzeuge deshalb in der Regel nicht wirtschaftlich, diese aus einem Stück herzustellen. Benötigt werden deshalb modulare Lösungen, die sich aus standardisierten Elementen aufbauen lassen. Diese haben den Vorteil, dass daraus mit geringem Aufwand viele Varianten hergestellt werden können, allerdings auch den Nachteil höherer Montagekosten, weshalb eine Optimierung des gesamten Prozesses von Herstellung und Montage notwendig ist., wofür bisher noch keine ausreichenden Grundlagen vorhanden sind.
2.2 Zielsetzung Der Ansatz, Lärm und Hitze an LKW-Fahrerhäusern durch metallische Materialien auf der Basis des Poroblechs zu absorbieren bzw. abzuleiten und diese modular herzustellen, um möglichst ohne großen Aufwand an die verschiedensten Typen angepasst werden zu können, ist bisher noch nicht gegangen worden und bietet die Chance, völlig neuartige Produkte zu schaffen. Es sollte deshalb ein Absorber entwickelt werden, der gegenüber konventionellen Lösungen die folgenden Vorteile erwarten lässt:
hohe Schallabsorption hohe Wärmereflektion umweltfreundliche Materialien kein Schimmel- und Bakterienbefall Vermeidung von Brandrisiken einfache, zerstörungsfreie Reinigung mit Wasserstrahl Nachrüstbarkeit hohe Flexibilität geringe Bauhöhe geringere Kosten
Die qualitativen Ziele des Vorhabens sind im Einzelnen: 1) Entwicklung eines Schallabsorbers für LKW-Fahrerkabinen unter Verwendung von
Poroblech, mit dem Folgendes erreicht wird:
eine deutliche Reduzierung der Lärmbelastung in der Kabine Reduzierung der Wärmeeinwirkung innerhalb der Fahrerkabine
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Reduzierung der
Werkzeugkosten, die für die Umformung des Ausgangsmaterials in die der Fahrerkabine angepasste Form benötigt werden
Konstruktions-, Werkzeug- und Fertigungskosten für die Anpassung an unterschiedliche Typen von Fahrerkabinen
Zeit für Varianten-Konstruktion und Fertigungsvorbereitung
2.3 Stand der Technik Zur Reduzierung der thermischen und insbesondere der akustischen Dauerbelastung der Fahrer hat es große Anstrengungen gegeben, doch dringt Lärm in Form von abgestrahlten Körperschallwellen vom Motor und Wärme in noch unerwünschter hoher Intensität in die Fahrerzelle ein. Die eingesetzten Materialien - Schaumstoffe mit durchgängigen Poren, Basalt und Glasfaser usw. - dämpfen und dämmen zwar die Wärme und den Lärm, sind aber in ihrer Wirkung begrenzt und haben auch den Nachteil, dass sie nicht wärmefest sind, sich auflösen durch Zerfasern und ein gewisses Setzverhalten und somit an Wirkung verlieren. Ein weiterer Nachteil dieser Materialien ist, dass sie sich mit Flüssigkeiten voll saugen können und, sofern Dieselkraftstoff und Benzin beteiligt ist, zu einer hohen Brandgefahr führen können. Außerdem lassen sie sich schlecht reinigen, wodurch es zu Schimmel- und Bakterienbefall kommt. Als elementarer Nachteil dieser Isolierungen ist zu nennen, dass sie beim Reinigen mit einem Hochdruck-Wasserstrahl zerstört werden. Diese Nachteile lassen sich durch Einsatz eines metallischen Sandwichs auf Basis von Poroblech vermeiden.
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3 Hauptteil Im Folgenden sind die bisher durchgeführten Entwicklungsschritte, die zu einem leisen und gut temperierten Führerhaus führen, dargestellt.
3.1 Wirkprinzipien und theoretische Betrachtungen zur Auslegung von Akustischen- Hitzeschilder für einen LKW
3.1.1 Akustische Wirkprinzipien des Gewebe-Schallabsorbers Poroblech ist ein Gewebeabsorber aus Metall oder Kunststoff bei dem die Porosität durch zusammenpressen des Gewebes eingestellt werden kann. Die Luftschallabsorption erfolgt durch Reibung der hin und her schwingenden Luftmoleküle in der Luftgrenzschicht zwischen den Gewebedrähten. Wird das dicht gewobene Metallgewebe, nach dem Weben auf die Dicke 2r zusammen gepresst oder gewalzt, so verringern sich die Drahtabstände Sp in den Submillimeterbereich von ca. 0,03 mm. Die Schuss- und Kettdrähte pressen sich ineinander. Die Schussdrähte zwischen den Kettdrähten, die vor dem Pressen gegenläufig schräg zueinander liefen, verlaufen jetzt nahezu parallel. In dem Gewebeabsorber schwingt die Luft, in den vielen, nebeneinander angeordnet, Poren Sp als Masse zusammen mit dem abgeschlossenem Luftvolumen der Dicke d (λ/4) als Feder-Masse- Resonator. Bei allen porösen Luftschallabsorbern, in denen Luftschwingungen durch Reibung bedämpft werden sollen, spielt das Verhältnis aus Pore quer zur Schwingungsrichtung und Grenzschichtdicke δ eine wichtige Rolle. Für Poren mit dem Spalt Sp liefert Z. B. der Grenzschichtparameter X ein dimensionsloses Verhältnis
X = Sp /2δ = 1 X = Sp/2 0,65 √ fo fo = (Sp/2x 0,65)² Man kann also die Mikroperforation des Gewebes durch Walzen oder Pressen, je nach avisiertem Frequenzbereich fo, so einrichten, dass für Sp im Submillimeter-Bereich X nicht viel größer als von 1 abweicht; Sp in m; 0,65 Faktor ohne Wärmeleitung ; 0,42 Faktor mit Wärmeleitung.
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Abbildung 1: Tressengewebe ungewalzt
Abbildung 2: Tressengewebe gewalzt
Mit entsprechend engen Spalten kann man die Reibung für die Schallschwingung so einstellen, dass es zur optimalen Schallabsorption kommt, so dass es kein zusätzliches Dämpfungsmaterial vor oder hinter dem „Gewebe - Absorber“ bedarf.
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3.1.3 Akustische- Absorber: Aufbau Man unterscheidet akustische Absorber mit rückseitig freien Wandaufbau also die rückseitig nicht schallhart abgeschlossen sind (netto Absorber) bei der demnach die Schallenergie über Reibung Ξ in Wärme umgewandelt wird. Bei Schallabsorbern, die rückseitig schall abgeschlossen sind, (brutto Absorber) treten keine Verluste durch Schalltransmission τs auf und der Verlustgrad entspricht dem Absorptionsgrad. Man unterscheidet drei Absorberaufbauten bei denen die Schallabsorber
1. frei angeordnet sind (netto Absorber) nach Christian Thomas 2. direkt auf einer schallharten reflektierenden Wand angebracht sind 3. in einem gewählten Abstand d zur schallharten reflektierenden Wand angebracht sind
(brutto Absorber) 4. verfüllte Absorber bei denen der Abstand zur schallharten reflektierenden Wand mit
einem zusätzlichen Absorber verfüllt werden (Schaumstoff o. Glaswolle) Der dritten Variante stellt einen akustischen Resonator dar, als mechanisches Masse- Feder- Dämpfer- System. Dabei repräsentiert die Flächenmasse m’ die Masse der Luft in den Spalten und die Feder mit der flächenbezogenen Steifigkeit s’ das hinter den Spalten befindliche Luftvolumen des Hohlraumes.
s’=ρc²S²/V=ρc²(πa²)²/de² und die Luft in den Spalten als Masse m’
m’=ρ(lo+2Δl)/σ =a²π/e²
Pe
Pr
Pe
Absorber
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3.2.1 Erstellung von Schallpegeldiagrammen für die unterschiedlichen Absorbersysteme
In dem in Abbildung 4 dargestellten Schallpegeldiagramm sind die Dämm – und Dämpfwirkungen der einzelnen Schallabsorbersysteme aufgeführt: 1.) Die obere blaue Kurve zeigt die Schallabstrahlung eines Lautsprechers mit weißem Rauschen ohne Dämmung. 2.) Die lila Kurve zeigt die Abstrahlung bei übergestülpten Poroblechwürfel über den Lautsprecher aus Poroblech F, glatt, verz.. 3.) Die gelbe Kurve zeigt die Abstrahlung bei übergestülpten Stahlblechwürfel 4.) Die untere blaue Kurve zeigt die schallabstrahlungs Reduzierung, wenn über den strahlenden Lautsprecher ein 30 mm dickes Schallabsorber- Resonanzsystem gestülpt ist.
Abbildung 4: Schallpegel-Diagramm Poroblechwürfel
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3.2.2 Messung des Schallabsorptionsgrades α in Funktion zum Abstand zur Schallhart- reflektierenden Wand
Plaziert man den Gewebe-Schallabsorber im Abstand von λ/4 vor einer schallhart- reflektierenden Wand, so erfährt die Schallschnelle v eine Verdoppelung durch Überlagerung der reflektierten Schallwellen zu einer stehenden Welle.
Abbildung 5: Diagramm Abstand zur Schallhart-reflektierender Wand
Die Luftmoleküle werden in der Grenzschicht zwischen den Spalten am effektivsten durch Reibung gebremst, wenn diese eine hohe Schallschnelle v aufweisen. Die Reibung ist proportional zur Schallschnelle. In Folge dessen wird die auftreffende Schallenergie durch den Schallabsorber in Wärme umgewandelt.
3.2.3 Messung des Absorptionsgrad α in Funktion zum Hohlraum- Abstand d
Abbildung 6: Diagramm Funktion zum Hohlraum – Abstand d
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Abbildung 7: Noppung des Gewebeabsorbers
Auswirkung der Noppung:
1.) Anhebung der Mündungskorrektur 2ΔL 2.) Vergrößerung der Absorberfläche 3.) hoher Absorptionsgrad 4.) breitbandige Absorption
In der nachfolgenden Abbildung 8 ist die Wirkungsweise der Noppung dargestellt.
Schnitt Schallwelle
sp
sp
3.2.5 Herleitung der Luft- Resonanzfrequenz Gleichung fo aus der Helmholtz- Resonanzgleichung
fo=c/2π√So/Vo(l+2Δl)
o = √ K/M
Masse M = ρo (2r+2ΔL)b So Federkonstante K = ρo c² S²o / Vo Volumen Vo = d(2r+Sp)b Spaltfläche So = Spb Lochflächenverhältnis σ = Sp/(2r+Sp ) Spaltlänge b Absorber- Dicke 2r+2ΔL Mündungskorrektur 2ΔL = Km
fo = c/2π √ So/ Vo 2(r+ΔL)
fo = c/2π√Spb/(Sp+2r)b d2(r+ΔL)
fo = c/2π√σ/ d2(r+ΔL) Wirkfunktion: Die Luft schwingt in den vielen nebeneinander angeordneten Reib-Spalten als Masse m’ zusammen mit der im Zwischenraum Vo befindlichen Luft, welche als Feder wirkt. Dabei wird in besonderer Weise inhärente Dämpfung aktiviert, die zur Schallabsorption beiträgt. Der Hauptunterschied zum konventionellen Helmholtz- Resonator liegt in dem höheren Strömungswiderstand r’ und der geringeren Luftmasse m’ in den Reib-Spalten, die sehr stark von der Luftschallfrequenz abhängen.
Sp Sp
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Nachfolgend ist der Absorptionsgrad in Funktion zum Lochdurchmesser b deutlich erkennbar bei gleichem Lochflächenverhältnis dargestellt. Absorptionsgrad α in Funktion zur Porengröße: Die mittlere Kurve beschreibt einen konventionellen Helmholtz – Resonator mit zu geringer Dämpfung - und Bandbreite. Die unterste Kurve Δ ist ein überdämpfter Resonator mit viel zu kleinen Löchern und hoher Reibung. Demgegenüber zeigt die obere Kurve schon die charakteristische Breitbandigkeit eines MPA- Resonators mit hohem Absorptionsgrad von 0,9 auf.
Abbildung 10: Absorptionsgrad Porengöße
Erweitert man den Lochdurchmesser der unteren Kurve Δ auf 0,3 mm und den Lochabstand a von 1,13 mm auf 1,35 mm, so verdreifacht sich das Lochflächenverhältnis σ auf 0,039, so sinkt die Reibung auf einzehntel von 14,49 (Pas/m) auf 1,42 (Pas/m) und die Porenzahl pro m² reduziert sich von 784000 auf 549000 Poren. Die Luftmasse m’ verdreifacht sich, so dass sich dadurch der Absorptionsgrad vervierfacht.
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Abbildung 11: Absorptionsgrad Porengröße
Will man die Bandbreite vergrößern, so kann man dies bei gleichem σ mit kleinerem b und damit größerem r’ erreichen. Allerdings steigt der Aufwand durch die höhere Lochzahl. Das Maximum verschiebt dabei um etwa 300 Hz in den höheren Frequenzbereich. Man kann den MPA in Analogie zum einfachen Feder/Masse-System hinsichtlich ihrer Haupt- Resonanzfrequenz charakterisieren fMPA = c/2π√σ/d 2r Km (Hz) Bei der Betrachtung der Aufgabe wirft sich die Frage auf in wie Fern kann man den reinen nur mit einer Öffnung versehenen Helmholtz-Resonator mit einem MPA Plattenabsorber vergleichen kann. Die Luftschallabsorption findet durch Luftresonanz beim Helmholtzresonatoren und bei MPA Resonatoren statt, wobei die Masse m’ im Hals als auch die Federsteife s’ im Volumen V von der Luft gebildet wird. Die Resonanzfrequenz eines solchen Masse-Federsystems ist. fo=1/2π√s’/m’ fo=C/2π√S/V(lo+2Δl)
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Helmholtz Resonator MPA Resonator Schlitzplatten Resonator Abbildung 12 Resonator Setzt man voraus, dass jedes einzelne Loch ein dahinter liegendes Volumen von der Seitenlänge e und der Tiefe d hat so wird V zu:
V = d e²
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In die Helmholtz Formel fo = c / 2π√S/(lo+2Δl)V eingesetzt die zur Berechnung der Resonanzfrequenz fo führt, ergibt
fo = c/2π√πa²/(lo+2Δl)de²
m=ρ(lo+2Δl)/σ =a²π/e²
m=ρe²(lo+2Δl)/a²π eingesetzt ergibt
fo=c/2π√πa²/(lo+2Δ l)de²(ρe²(lo+2Δl)²/(a²π)² 1/m=a²π/ρe²(lo+2Δl)
fo=c/2π√ρ/dm
fo=59,3075/√dm
fo=60/√md Die wichtigste Größe ist die Dichte ρ Für die Herleitung der Resonanzfrequenz in einem MPA Resonator kann man auch über den Ansatz der Wandimpedanz gehen. Diese setzt sich aus Real- und Imaginärteil zusammen Aus der Masse jm und der Feder s/j
W=R+jm+s/j (Ns/m³) Der Massenbelag m’ wird berechnet
m’=ρloπa² pro Loch
m’=ρlo/ pro Absorberfläche (kg/m²) Das Luftpolster V wird berechnet
V=de² (m³) Die Federsteife s’ beträgt demnach
s’=ρc²S²/V=ρc²(πa²)²/de² Um den Massenbelag von der Lochfläche unabhängig zu machen und gleichzeitig einen Bezug zum Lochflächenverhältnis herzustellen, dividieren wir durch die Lochfläche πa² und durch das Lochflächenverhältnis πa²/e² und erhalten somit
s’=ρc²(πa²)²/de² /πa²πa²/e² =ρc²/d
ρc²=Kad Kad=K=1,410²10³ ( Pa)
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s=Kad/d Die Resonanzfrequenz fo ist dort zu finden wo der Imaginärteil der Wandimpedanz zu Null wird.
( ωm- s/ω )=0 ---- ωo² =s/m ---- ωo=√Kad/md --- 2πfo=ωo
fo=1/2π√Kad/√md =1/2π√1,41 10³10²/md
fo=60/√md
Die wichtigste Größe ist hier der Kompressionsmodul Kad = 1,41 10³ 10² Pa Die Abstimmungsgleichung des Helmholtz Resonators mit nur einer Öffnung entspricht der eines MPA Plattenresonators mit vielen kleinen Schlitzen oder Bohrungen. Betrachtet man nun die zwei Skizzen des einzeln Helmholtz Resonators und des MPA Absorbers: ² Abbildung 13: Helmholtz Resonator so kann man die Helmholtz Resonatorfrequenz
fHz=c/2π√SH/V(lo+2Δlo) auf die spezifischen MPA Absorbers gekennzeichnete Größen d=Wandabstand σ=Lochflächenverhältnis a=Lochradius e²=Absorberfläche SA umschreiben:
fHz=c/2π√SH/V(lo+2Δlo) in fMPA=c/2π√a²π/e²d(lo+2Δlo) Wobei a²π/e² = σ und SH=a²π und SA=e² und V=e²d ist
fMPA=c/2π√ σ/d(lo+2Δlo) 2Δlo=KMZ
fMPA=c/2π√ σ/dloKMZ
3.3.1 Bauteilanforderungen hohe Schallabsorption α 0,6 – 0,9 bei einer Frequenz zwischen 800 Hz – 2300 Hz Hohe Wärmereflektion kein Schimmel und Bakterienbefall nicht zerstörbar mit Hochdruckreiniger nicht brennbar geringe Bauhöhe geringe Herstellkosten
3.3.2 Konstruktion des Sandwichsaufbaues: Das Sandwich hat eine frequenzabhängige Bauhöhe von 10 mm bis 35 mm. Die zur Lärm- und Wärmequelle zugewandten Seite besteht aus dem
metallischen Gewebeabsorber Poroblech F (F für gefügt, gewalzt). Die schallreflektierende Gegenwand besteht aus einem genoppten, verzinktem
Stahlblech mit einer Dicke von 0,4 mm bis 0,8 mm und einer Noppenhöhe von ca. 1,5 mm.
Der Zwischenraum wird zur thermischen Abschirmung und zur akustischen Absorption mit mindestens drei Lagen mikroperforierte Noppenfolie aus Aluminium ausgekleidet. (siehe Bild unten)
Gewebeabsorber Mikroperforierte Noppenfolie Noppenblech
Abbildung14: Sandwichaufbau
Alternativ kann der Zwischenraum auch mit einer einfachen Wabenstruktur aus Aluminium oder in Kombination mit Noppenfolien verfüllt werden, wobei die Wabe als Distanzelement und zur Schallkassetierung dient. Der Zwischenraum wird durch Distanznieten fixiert. Das Sandwich kann alternativ aus Stahl oder Aluminium hergestellt werden.
Um die Schalltransmission τ noch weiter zu verringern, wurden unterschiedliche Varianten von Sandwichaufbauten geplant. In einer Alternative wurde u.a. das genoppte Gegenblech mit dem stark dämpfenden Poroblech F.
3.4 Schallabsorptions-Messung im Impedanzrohr Da die schallabsorbierende Frequenz bei einer Halbwertsbreite fH zwischen 800 Hz und 2300 Hz liegen soll, haben wir Sandwichs in Höhe von 10 mm bis 20 mm ohne Zwischenraumverfüllung ausgewählt und mit einem Impedanzrohr Ø 45 mm als Stichversuch vermessen.
Abbildung 16: Schallabsorptionsgrad - Messung Impedanzrohr Ø 45 mm
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3.5 Schallabsorptions-Messungen in der Alphakabine Vermessung verschiedener Sandwichaufbauten und Wandabstände d mit und ohne Waben. Als neue Alternative wurde ein genopptes Poroblech F mit einer Noppenhöhe von 1,7 mm, dessen Absorptionsgrad um ca. 30% höher liegen soll, mit glattem Poroblech F getestet und verglichen.
Abbildung 17: Vergleichsmessung - genopptes und glattes Poroblech
Die akustischen Messungen und Optimierungen wurden von uns in den Akustiklaboren der Firmen Daimler-Benz AG, Rieter Automotive und HP Pelzer durchgeführt.
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Abbildung 21: Vergleichsmessung – glattes Poroblech F ohne Wabenstruktur
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3.6 Hochdruckreinigungsversuch Um die konstruierten Sandwichaufbauten weiter zu testen wurden schon in der ersten Entwicklungsschleife Hochdruckreinigungstests bei 150 bar Wasserdruck und einem Düsenabstand von 100 mm durchgeführt. Dieser Test soll den Nachweis erbringen, dass die Außenhaut des metallischen Gewebeabsorbers Poroblech F durch den Hochdruckwasserstrahl nicht zerstört werden kann.
Abbildung 22: Hochdruckreinigungsversuch
3.7 Salzspühtest Um die Witterungsbeständigkeit weiter zu untersuchen, wurde in einer Salzsprühkammer bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von 240 Stunden eine Zerstörungsprüfung mit einem Poroblechmuster durchgeführt. Dabei zeigte sich an dem 0,6mm dicken Gewebe aus verzinkten Stahl keinerlei Rotrostbildung. Zusätzlich wurde ein weiteres zusammengeschweißtes Muster (Rollschweißverfahren) untersucht. Auch hier ist keinerlei Witterungseinfluss zu erkennen.
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Abbildung 23: Hitzeschildaufbau 9mm mit Ergebnisreihe
Abbildung 24: Hitzeschildaufbau 20mm mit Ergebnisreihe
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Ermittlung des Schallabsorptionskoeffizienten α in Funktion zum Wandabstand d in einem Frequenzband im Impedanzrohr
Untersuchungen zur Wand-Schallabstrahldämpfung Ermittlung des Verlustfaktors von Poroblech F
Ermittlung der Schallpegelminderung durch Luftschallabsorption und Körperschalldämpfung.
Zuerst wurden bei Federal Mogul Versuche zur Bestimmung des Absorptionsgrades von Poroblech F Nr. 8 in Funktion zum Wandabstand d durchgeführt. Die Porobleche wurden ein- und zweilagig in einem Abstand von 5 mm, 10 mm und 20 mm zur schallharten Wand geprüft.
Abbildung 25: Versuchsaufbau Federal Mogul - Impedanzrohrmessung
Die Ursache der Breitbandigkeit des Frequenzspektrums des Absorptionsgrades liegt in den vielen kleinen eng liegenden Reibspalten. Die Verschiebung der Kurven in den niederfrequenten Bereich in Funktion zum größeren Wandabstand ist deutlich zuerkennen. Auch die Doppellagigkeit der Porobleche mit dem höheren Reibungswiderstand Ξ ist in Funktion zum Absorptionsgrad ersichtlich.
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Abbildung 26: Ergebnisse Impedanzrohrmessung
Weitere Absorptionsgradmessungen mit dem Impedanzrohr mit den Abständen d zur schallharten Wand 110 mm, 50 mm und 20 mm sind im nachstehenden Diagramm ersichtlich.
Abbildung 27: Diagramm zu Impedanzrohr mit unterschiedlichen Abständen zur Wand
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Um die Wirkung Luftschallabsorption zu untermauern wurden bei der Firma HP Pelzer weiterführende Schallmessungen durchgeführt.
04.03.2008 2Bernd Borgmann, Technischer Bericht
Messung Alphakabine Absorptionsgrad α / Äquivalente Absorptionsfläche
Volumen: 6,44 m³ Oberfläche (innen): 22,6 m² Dimensionen [m]: 3,22 x 2,37 x 2,03 Gewicht: 1830 kg
Bestimmung der Absorption
Messung der Absorption im statistischen Schallfeld Alphakabine
Die Absorption wird mit Hilfe der Sabin´schen Formel durch Bestimmung der Nachhallzeiten ermittelt. Die Messung der Nachhallzeiten erfolgt an 5 Positionen in einem Radius von 1m.
−∗∗==
1200*1000
Proben Benötigt werden plane Proben mit einer Probenfläche von 1,2m² oder Formteile, die eine Probenfläche von 0,6m² nicht unterschreiten. Bei Formteilen muss die Messung entsprechend der späteren Verwendung (Einbau) durchgeführt werden, dass heißt auf einem Blech- oder Modelteil.
Abbildung 28: Messungen Alphakabine HP Pelzer
04.03.2008 5Bernd Borgmann, Technischer Bericht
Messung Alphakabine Porobleche F Nr.8 (sortiert nach Wandabstand)
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei dif fusem Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=0mm
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei diffusem Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=5mm
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei dif fusem Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=10mm
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei dif fusem Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=20mm
Wandabstand 0mm Wandabstand 5mm
Wandabstand 10mm Wandabstand 20mm
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0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Frequency [Hz]
A bs
or pt
io n
[-]
Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen abgeklebt Serie: Messserie 5 mm Bodenabstand Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen abgeklebt Serie: Messserie 10 mm Bodenabstand Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen abgeklebt Serie: Messserie 15 mm Bodenabstand Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen abgeklebt, 33 mm Serie: Wabenstruktur
Abbildung 31: Messergebnisse Alphakabine - Poroblech genoppt
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Als weiterführende Versuche ermittelten wir die Schallpegelreduzierung, der von uns entwickelten akustische Hitzeschilder- Sandwiches. Die Sandwiches haben eine Dicke von 9 mm und 20 mm, diese Dicke wurde vorab konstruktiv aus vielen Einsatzfällen ermittelt. Der konstruktive Aufbau der Sandwiches ist in den Abbildung 23 und 24 dargestellt.
Schalldruckpegeldiagramm Sandwich 9mm + 20mm dick
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
)
79,9 ohne Sandwich 64,4 mit S.W. 20mm 2xPoroblech 66 mit S.W. 9mm 2xPoroblech 66,3 mit S.W. 9mm 1xPorobl. S.W. 20mm 1xPorobl. MAN Akkustischhe Belastung von der Motorseite
Acoustic Products Anton-Grimmer-Str. 2 D-73466 Lauchheim
27.11.2007 Härle/Uhl Nr. 142
Schalldruckpegeldiagramm Sandwichentwicklung
verschiedene Sandwich
)
79,9 ohne Sandw ich 68,1 mit Leerraum 9mm 66,6 mit 2 Knickfolien glatt 9mm 69,4 mit 2 microperf. Knickfol. 9mm 67,9 mit Stahlw olle 9mm 67,2 mit Leerraum 20mm 65,5 mit 4 Knickfolien glatt 20mm 64,4 mit 4 microperf. Knickfol. 20mm 66,4 mit Stahlw olle 20mm 64,4 mit S.W. 20mm 2xPoroblech 66 mit S.W. 9mm 2xPoroblech 66,3 mit S.W. 9mm 1xPorobl. S.W. 20mm 1xPorobl.
Acoustic Products Anton-Grimmer-Str. 2 D-73466 Lauchheim
27.11.2007 Härle/Uhl Nr. 136
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Die Messergebnisse bestätigen den hohen Wirkungsgrad der Aufbauten. Diese Multi- Wall- Struktur mit den mehrfachen Strahlungsschutzschirmen die den Wärmeübergang durch Leitung klein hält und den geringen Strahlungswärmefluss nutzt, wird in die Entwicklung des akustischen Hitzeschildes für NFZ oder LKW aufgenommen.
3.11 Entwicklung eines akustisches – Hitzeschildes für LKW Basierend auf den Ergebnissen der voran dargestellten Untersuchungen wurden verschiedene Prototypen in ein uns zur Verfügung gestelltes Fahrerhaus eingebaut. Die Bilder zeigen die Unteransicht bei hochgestelltem Fahrerhaus.
Abbildung 34: LKW - Fahrerhaus konventionell (links) und mit Poroblech (rechts)
Abbildung 35: Prototyp LKW-Unterboden - Seitenabdeckung
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Abbildung 36: Prototyp LKW-Unterboden
Erste Schallpegelmessung am Fahrzeug ohne Motor. Als Schallstrahler wurde ein Lautsprecher mit weißem Rauschen eingesetzt. Bei diesem Versuch war die klare Erkenntnis, dass man auf eine zusätzliche Hinterfütterung mit einem Schallabsorbermaterial verzichten kann.
Abbildung 37: Schallpegelmessung LKW - Fahrerhaus
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Abbildung 39: Poroblech-Tunneldämpfung ohne Aluminium Knitterfolieneinlage
Die hergestellten Unterböden wurden von uns im Versuchslabor der Daimler Benz AG getestet und bewertet.
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Abbildung 41: Messergebnisse 0,6mm Poroblech mit AL-Folie Daimler Benz AG
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Abbildung 42: Messergebnisse 0,6mm Poroblech ohne AL-Folie Daimler Benz AG
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3.12 Ergebnisdarstellung In Bezug auf die Thermoergebnisse zeigte der Einbau der der Al – Knitterfolie eine starke Temperaturabsenkung von über 25 C°. Dies werten wir als erheblichen Fortschritt. Die Schallpegelergebnisse bei den durchgeführten Messungen am Fahrzeug zeigen eine leichte Innengeräuschreduzierung im Fahrerhaus, die jedoch nicht den Erwartungen entspricht und deshalb in einer weiteren Optimierungsschleife noch verbessert werden müssen.
Abbildung 43: Schallpegelergebnisse am Fahrzeug
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Abbildung 44: Motorraumabdeckung Variante 1 MAN
Abbildung 45: Motorraumabdeckung Variante 1 MAN Seitenansicht
Abbildung 46: Motorraumabdeckung Variante 1 MAN Draufsicht
Aus Sicht der Einbaufähigkeit wurde hierbei auch besonderen Wert auf die Verschraubungen gelegt. Hier wurden im Vorfeld Untersuchungen durchgeführt, um auch den Verlustfaktor von Körperschallweiterleitungen an einer Schraubverbindung durch den Einsatz von Poroblech näher zu untersuchen.
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4 Fazit Das entwickelte Lärm- und Hitzeschild zielt darauf ab, Lärm- und Hitzeeinwirkung der Antriebsaggregate eines LKW auf den Innenraum des Fahrerhauses zu reduzieren. Lärm wird dabei nicht nur zurück gehalten sondern absorbiert. Die aus den Antriebsaggregaten kommende Wärme wird dabei schnellstmöglich an die Umgebung abgeleitet, respektive vom Fahrerhaus fern gehalten. Die Messergebnisse zeigen dabei eine Absenkung der Temperatur um über 25°C. Dieses Entwicklungsziel ist deshalb als Erfolg zu bewerten. Die Reduzierung des Schalls innerhalb des Fahrerhauses bzw. an die Umgebung abstrahlenden Lärms ist in den ersten Versuchsreihen nicht in dem erhofften Ausmaß gelungen. Gründe hierfür sind vor allem in dem breiten Frequenzspektrum zu sehen, das von den Antrieben und Fahrgeräuschen erzeugt wird und mit einfachen Mitteln nicht absorbiert werden kann. Die Schallabsorption gelingt bei den so genannten λ/4-Absorbern nur, wenn die die Schallwellen „bremsenden“ Poren im Abstand von einem Viertel der Wellenlänge wirksam werden. Bei niederfrequentem Schall führt dies entweder zu erheblichen Baugrößen oder deutlichem Verlust an Effizienz. Bei hochfrequentem Schall sind dagegen nur geringe Baugrößen notwendig. Der benötigte Kompromiss in der Bauart muss in weiteren Versuchsaufbauten genauere analysiert werden, um allen Einfluss- und Zielgrößen gerecht zu werden. Dies erfordert sowohl die weitere Suche nach geeigneten Materialien, als auch Optimierung von Porengröße, Oberflächenstruktur, Geometrie, Anzahl von absorbierenden Lagen und Füllstoffen. Daraus lässt sich voraussichtlich für bestimmte Frequenzen ein Ergebnis finden, das den Zielvorstellungen gerecht wird. Auf Grund der bisher gemachten positiven Versuchsergebnisse, sind wir der Auffassung, dass mit dem Aufbau einer weiteren Entwicklungsschleife akustische Hitzeschilder schon in einem Versuchsfahrzeug dauerhaft getestet werden können. Bezüglich der Vermarktung ist ein wesentlicher Risikofaktor der Preis für die eingesetzten Materialien, insbesondere für Metalle, der sich derzeit ständig verändert. Preissteigerungen müssen auf die Endprodukte umgelegt werden. Bei deutlich höheren Verkaufspreisen würde die Akzeptanz der Leichtbauprodukte im Kundenkreis schwinden. Bei der aktuellen Literatur- und Patentrecherche sind uns von dritter Seite bisher keine adäquaten akustischen Hitzeschilder für LKW- Fahrerhäuser bekannt geworden. Wir haben geplant, den akustischen Hitzeschild nach vorgeschrittener Entwicklung beim Deutschen Patent und Markenamt anzumelden.
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3.1.1 Akustische Wirkprinzipien des Gewebe-Schallabsorbers
3.1.2 Tressengewebe (Ausgangsmaterial für Poroblech)
3.1.3 Akustische- Absorber: Aufbau
3.2.1 Erstellung von Schallpegeldiagrammen für die unterschiedlichen Absorbersysteme
3.2.2 Messung des Schallabsorptionsgrades α in Funktion zum Abstand zur Schallhart- reflektierenden Wand
3.2.3 Messung des Absorptionsgrad α in Funktion zum Hohlraum- Abstand d
3.2.4 Absorptionsgrad α- Verbesserung durch Noppung des Gewebeabsorbers
3.2.5 Herleitung der Luft- Resonanzfrequenz Gleichung fo aus der Helmholtz- Resonanzgleichung
3.3 Konstruktion des Sandwichsaufbaues
3.6 Hochdruckreinigungsversuch
3.7 Salzspühtest
3.10 Weiterführende Testreihen
3.12 Ergebnisdarstellung
3.13 Variantenkonstruktion
4 Fazit
Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem AZ 27647 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
Projektleiter: Dipl.-Kfm. techn. Jürgen Kiener Tel.: 07363/950-115 Fax.: 07363/950-362 Email: [email protected] Laufzeit des Vorhabens: vom 26.11.2009 bis 30.04.2011 Lauchheim, den 24.10.2011
„Entwicklung eines umweltfreundlichen, metallischen Lärm- und Hitzeschildes für LKW-Fahrerhäuser auf der Basis von Poroblech“
Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem AZ 27647 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
Projektleiter: Dipl.-Kfm. techn. Jürgen Kiener Tel.: 07363/950-115 Fax.: 07363/950-362 Email: [email protected] Laufzeit des Vorhabens: vom 26.11.2009 bis 30.04.2011 Lauchheim, den 24.10.2011
11/99 Projektkennblatt
Hitzeschildes für LKW-Fahrerhäuser auf der Basis von Poroblech
Stichworte Produkt Fahrzeug, Lärm
Zwischenberichte 31.05.2010,
Tel 07363/950-115 Fax 07363/950-362 Projektleitung Jürgen Kiener Bearbeiter Jürgen Kiener
Kooperationspartner keine
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Die Belastung der Fahrer von LKW ist durch die Einwirkung von Hitze und Lärm besonders im Fernverkehr sehr hoch. Die Quellen der Umweltbelastung in der Fahrerkabine sind der Motor und die angeschlossenen Aggregate. Grund ist die meist unbefriedigende Isolierung der Fahrerkabine gegenüber den Antriebsaggregaten, die sich bei modernen LKW meist unmittelbar unter der Fahrerkabine befinden. Die Entwicklung eines metallischen Lärm- und Hitzeschildes aus Poroblech verspricht hier erhebliche Vorteile gegenüber den heutigen Lösungen. Kern der angestrebten Lösung ist eine neuartige Erfindung, das so genannte „Poroblech“. Bei dem patentierten Material handelt es sich um ein auf definierte Dicke gewalztes Metallgewebe, das auf Grund seiner porösen Struktur schalldämpfende Eigenschaft besitzt und in Verbindung mit anderen Materialien sehr gut als Schall- und Hitzeschutzschild eingesetzt werden kann. Im beantragten Projekt soll ein modulares Lärm- und Hitzeschildsystem aus Poroblech entstehen, das sich aus standardisierten Elementen aufbauen lässt. Diese Lösung hat den Vorteil, dass daraus mit geringem Aufwand viele Varianten hergestellt werden können.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Das Projekt wurde in 4 Phasen unterteilt. Jede Projektphase enthielt mehrere Arbeitspakete: 1 Planung AP 1.1 Klären der Aufgabenstellung Im Vorfeld der Entwicklung wurden u.a. Kundenanforderungen hinterfragt. Hierbei wurden auch die Schwachstellen des bisherigen Systems aufgezeigt. Diese Arbeiten wurden in einem interdisziplinären Team durchgeführt, das zusammengesetzt wird aus Vertretern der Konstruktion, der Fertigung, der Montage und des Projektpartners Spedition Brucker. AP 1.2 Anforderungsliste Die im AP 1.1 erarbeiteten Informationen und Unterlagen fanden Eingang in eine Anforderungsliste, die die Basis bildete für die Konzeptphase. AP 1.3 Detaillierter Terminplan Zur genauen Planung der zeitlichen Abläufe, der verfügbaren und benötigten Kapazitäten und zur Reservierung der Fertigungsanlagen wurde ein detaillierter Terminplan erstellt. 2 Konzeption AP 2.1 Teilfunktionen und Baugruppen Der Schallabsorber besteht aus den Teilsystemen: Absorber und Befestigung / Halterung AP 2.2 Suche nach Lösungsprinzipien Für die beiden Teilsysteme wurden basierend auf den Ergebnissen der Ist-Zustandsanalysen Lösungsprinzipien erarbeitet. Für den Absorber sind insbesondere zu betrachten: Materialien, alternative Sandwich-Bauweisen und Oberflächenstrukturen. Für die Befestigungssysteme sind die gefundenen Verhältnisse an den LKWs maßgebende Einflussgrößen für die geometrische Auslegung. Grundlegend wurde aber untersucht, wie vermieden werden kann, dass sich Körperschall von den Anbauteilen auf den Absorber übertragen, um zu vermeiden, dass dieser seinerseits zu einer Schallquelle wird. Hierzu wurden spezielle Versuchaufbauten zur Ermittlung des Verlustfaktors der Körperschallweiterleitung bei Einsatz von Poroblech hergestellt. AP 2.3 Akustische Modellbildung Untersuchungen zum Wirkprinzip der gefundenen Lösungsprinzipien und Berechnung am PC für ein- und mehrlagige Absorber. Optimierung hinsichtlich der Parameter der Schichtenfolgen für maximale Absorption und minimale Transmission. AP 2.4 Morphologischer Kasten Die günstigsten Lösungsprinzipien wurden in einem so genannten morphologischen Kasten zusammengefasst. Hierbei entstanden eine Vielzahl von realisierbaren Lösungen, die hinsichtlich Machbarkeit und erwarteter Zielerreichung bewertet werden. AP 2.5 Konzeptvarianten Es wurden die aussichtsreichsten Konzeptionen die unterschiedliche Einbauverhältnisse untersucht. Trotz der Vorgabe, einen modularer Aufbau und mögliche bzw. notwendige Standardisierung der Module zu erreichen, zeigte sich sehr schnell die Notwendigkeit einer späteren Variantenkonstruktion. AP 2.6 Patent- und Schutzrechte Bestehenden Schutzrechte und eine ergänzende Patent- und Gebrauchsmusterrecherche wurden durchgeführt. AP 2.7 Anfertigung und schalltechnische Untersuchung von Versuchsmustern Basierend auf den Vorarbeiten wurden für die aussichtsreichsten Varianten Versuchsmuster hergestellt, die dann im Labor schalltechnisch untersucht wurden. Ein Abbruch des Projektes wurde aufgrund der Erfolg versprechenden Konzeptionen ausgeschlossen. AP 2.8 Prototyp Nach Vermessung der hergestellten Handmuster wurde ein einbaufähiger Prototyp hergestellt und nach Einbau in ein Fahrzeug einem realitätsnahen Praxistest unterzogen. Insbesondere wurden während der Probefahrten Lärm- und Temperaturmessungen in der Kabine vorgenommen und mit identischen Messungen vor Einbau des Schallabsorbers - Prototyps verglichen. Zusätzlich wurde eine Testreihe im Labor der Daimler AG durchgeführt. AP 2.9 Kundenbefragung Das Projekt wurde verschiedenen Anwendern vorgestellt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden in das bestehende Konzept eingearbeitet. AP 2.10 Pflichtenheft Nach der Festlegung des endgültigen Konzepts und der Berücksichtigung der Kundenwünsche aus der Kundenbefragung wurde die bestehende Anforderungsliste zu einem detaillierten Pflichtenheft erweitert.
3 Entwurf AP 3.1 Maßstäblicher Entwurf Im endgültigen maßstäblichen Entwurf wurde das Konzept soweit konkretisiert, dass die notwendigen Fertigungsdokumente wie Einzelteilzeichnungen, Aufbaupläne und CAD-Produktmodelle abgeleitet werden konnten. Dabei zeigte sich auch die Möglichkeit einer Variantenkonstruktion. AP 3.2 Materialfestlegung und Dimensionierung Hier erfolgte die Festlegung der zu verwendenden Materialien und die Dimensionierung der Bauteile. AP 3.3 Festigkeitsberechnungen, Strukturuntersuchungen Nach Festlegung der wichtigsten Parameter insbesondere für die Befestigungselemente wurden diese auf ihre Belastbarkeit hin überprüft. Dabei wurde festgestellt, dass diese den spezifischen Anforderungen im LKW genügen. AP 3.4 Fertigungsprüfung Die vorhandenen Betriebsmittel sind für die Herstellung der Einrichtungsteile geeignet. AP 3.5 Endgültiger Entwurf Im endgültigen Entwurf wurden alle Erkenntnisse der Arbeitspakete 3.2 bis 3.4 eingearbeitet. AP 3.6 Prototypenprüfung Die Prototypenprüfung berücksichtigte die Vorgaben des vorher festgelegten Erprobungsprogrammes. Aufgrund der gewonnen Erkenntnisse wurde zu diesem Zeitpunkt auch die wirtschaftliche Komponente des Projektes betrachtet. Dabei zeigten sich vor allem in Bezug auf die Materialkosten große Defizite bzgl. der Vermarktung eines solchen Lärm- und Hitzeschildes. 4 Dokumentation AP 4. Projektdokumentation und Schlussbericht Im Schlussbericht wurden alle gewonnenen Ergebnisse zusammenfassend dokumentiert.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
Ergebnisse und Diskussion Das Projekt zielte darauf ab, einen Lärm- und Hitzeschild für LKW Fahrerhäuser zu entwickeln. Die dabei durchgeführten Testreihen und Versuchsaufbauten zeigten in bezug auf die Hitzeschildfunktion deutliche Fortschritte durch den Einsatz von Poroblech. In Bezug auf die Thermoergebnisse zeigte der Einbau der Einsatz des Unterbodens bestehend aus Poroblech und einer Aluminium – Knitterfolie eine starke Temperaturabsenkung von über 25 C°. Dies werten wir als erheblichen Fortschritt. Allerdings zeigten die Schallpegelergebnisse bei den durchgeführten Messungen am Fahrzeug nur eine leichte Innengeräuschreduzierung im Fahrerhaus, die jedoch nicht den Erwartungen entspricht und deshalb in einer weiteren Optimierungsschleife noch verbessert werden müssen. Die durchgeführte Variantenkonstruktion für unterschiedliche LKW-Baureihen muss für eine Serientauglichkeit eines Lärm- und Hitzeschildes auf Basis von Poroblech weiterverfolgt werden, allerdings ist vor allem in Bezug auf die Reduzierung der Herstellkosten ein wesentlicher Fokus zu setzen. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation keine Fazit Das entwickelte Lärm- und Hitzeschild zielt darauf ab, Lärm- und Hitzeeinwirkung der Antriebsaggregate eines LKW auf den Innenraum des Fahrerhauses zu reduzieren. Lärm wird dabei nicht nur zurück gehalten sondern absorbiert. Die aus den Antriebsaggregaten kommende Wärme wird dabei schnellstmöglich an die Umgebung abgeleitet, respektive vom Fahrerhaus fern gehalten. Die Messergebnisse zeigen dabei eine Absenkung der Temperatur um über 25°C. Dieses Entwicklungsziel ist deshalb als Erfolg zu bewerten. Die Reduzierung des Schalls innerhalb des Fahrerhauses bzw. an die Umgebung abstrahlenden Lärms ist in den ersten Versuchsreihen nicht in dem erhofften Ausmaß gelungen. Gründe hierfür sind vor allem in dem breiten Frequenzspektrum zu sehen, das von den Antrieben und Fahrgeräuschen erzeugt wird und mit einfachen Mitteln nicht absorbiert werden kann. Die Schallabsorption gelingt bei den so genannten λ/4-Absorbern nur, wenn die die Schallwellen „bremsenden“ Poren im Abstand von einem Viertel der Wellenlänge wirksam werden. Bei niederfrequentem Schall führt dies entweder zu erheblichen Baugrößen oder deutlichem Verlust an Effizienz. Bei hochfrequentem Schall sind dagegen nur geringe Baugrößen notwendig. Der benötigte Kompromiss in der Bauart muss in weiteren Versuchsaufbauten genauere analysiert werden, um allen Einfluss- und Zielgrößen gerecht zu werden. Dies erfordert sowohl die weitere Suche nach geeigneten Materialien, als auch Optimierung von Porengröße, Oberflächenstruktur, Geometrie, Anzahl von absorbierenden Lagen und Füllstoffen. Daraus lässt sich voraussichtlich für bestimmte Frequenzen ein Ergebnis finden, das den Zielvorstellungen gerecht wird. Auf Grund der bisher gemachten positiven Versuchsergebnisse, sind wir der Auffassung, dass mit dem Aufbau einer weiteren Entwicklungsschleife akustische Hitzeschilder schon in einem Versuchsfahrzeug dauerhaft getestet werden können. Bezüglich der Vermarktung ist ein wesentlicher Risikofaktor der Preis für die eingesetzten Materialien, insbesondere für Metalle, der sich derzeit ständig verändert. Preissteigerungen müssen auf die Endprodukte umgelegt werden. Bei deutlich höheren Verkaufspreisen würde die Akzeptanz der Leichtbauprodukte im Kundenkreis schwinden. Bei der aktuellen Literatur- und Patentrecherche sind uns von dritter Seite bisher keine adäquaten akustischen Hitzeschilder für LKW- Fahrerhäuser bekannt geworden. Wir haben geplant, den akustischen Hitzeschild nach vorgeschrittener Entwicklung beim Deutschen Patent und Markenamt anzumelden.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
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3.2.1 Erstellung von Schallpegeldiagrammen für die unterschiedlichen Absorbersysteme 11 3.2.2 Messung des Schallabsorptionsgrades α in Funktion zum Abstand zur Schallhart- reflektierenden Wand.................................................................................................................... 12 3.2.3 Messung des Absorptionsgrad α in Funktion zum Hohlraum- Abstand d................... 12 3.2.4 Absorptionsgrad α- Verbesserung durch Noppung des Gewebeabsorbers ............... 13 3.2.5 Herleitung der Luft- Resonanzfrequenz Gleichung fo aus der Helmholtz- Resonanzgleichung ...................................................................................................................... 14
3.3 Konstruktion des Sandwichsaufbaues ................................................................................. 20 3.3.1 Bauteilanforderungen .................................................................................................. 20 3.3.2 Konstruktion des Sandwichsaufbaues: ....................................................................... 20
3.4 Schallabsorptions-Messung im Impedanzrohr..................................................................... 22 3.5 Schallabsorptions-Messungen in der Alphakabine.............................................................. 23 3.6 Hochdruckreinigungsversuch............................................................................................... 26 3.7 Salzspühtest......................................................................................................................... 26 3.8 Test der Hitzeschildfunktion................................................................................................. 27 3.9 Auswertung der akustischen Messreihen und Zwischenfazit .............................................. 28 3.10 Weiterführende Testreihen................................................................................................... 28 3.11 Entwicklung eines akustisches – Hitzeschildes für LKW ..................................................... 33 3.12 Ergebnisdarstellung ............................................................................................................. 38 3.13 Variantenkonstruktion .......................................................................................................... 39
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b Spaltlänge D Dicke d Hohlraum- Abstand fo Frequenzbereich K Federkonstante Km Mündungskorrektur M Masse m’ Flächenmasse p Dichte r’ Strömungswiderstand s’ Steifigkeit So Spaltfläche Sp Spalt v Schallschnelle Vo Volumen X Grenzschichtparameter α Absorptionsgrad δ Grenzschichtdicke Verlustfaktors Ξ Reibung σ Lochflächenverhältnis τs Schalltransmission
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1 Zusammenfassung Gegenstand und Ziel des FuE- Vorhabens ist die Entwicklung eines leichten und robusten akustischen Hitzeschildes aus Sandwichplatten in modularer Kastenbauform, welches von den bisherigen Bauformen und eingesetzten Materialien abweicht. Zielsetzung war die Absenkung der Innenraumtemperatur im Fahrerhaus, um hierdurch eine Kraftstoffeinsparung durch Vermeidung unnötiger Klimatisierung zu erreichen. Des Weiteren sollte das Innenraumgeräusch, und den an die Umgebung abgegebenen Lärm verhindert werden. Hierbei wurden in verschiedenen Entwicklungsstufen grundlegende Sandwichaufbauten entwickelt, und auf den möglichen Einsatzzweck LKW-Fahrerhaus optimiert. Hierbei sind vor allem Impedanzrohr- und Alphakabinenmessungen zu erwähnen. Anschließend wurden diese Ergebnisse auf einen LKW-Unterboden übertragen und verschiedene Prototypen ganz oder teilweise eingebaut. In Bezug auf die Thermoergebnisse zeigte der Einbau der der Al – Knitterfolie eine starke Temperaturabsenkung von über 25 C° an einzelnen Messpunkten. Dies ist als absoluter Erfolg zu betrachten. Die Schallpegelergebnisse bei den durchgeführten Messungen am Fahrzeug zeigen nur eine leichte Innengeräuschreduzierung im Fahrerhaus. Diese Ergebnisse könnten in einer weiteren Optimierungsschleife noch verbessert werden. Zur Optimierung der Schallpegelergebnisse muss eine erweiterte Materialauswahl in betracht gezogen werden, um ein Optimum an Absorption und Baugröße zu erreichen, respektive ein möglichst breites Frequenzband abgedeckt werden kann. Zusätzlich muss die gesamte Einbausituation neu überdacht werden, da es sich in einem ersten Verwertungsplan nur um eine Nachrüstung bestehender Fahrzeuge handeln kann. Zur Durchführung der Test wurden wir von folgenden Firmen unterstützt:
- Daimler Benz AG - Rieter automotive - HP Pelzer - Spedition Brucker
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2 Einleitung
2.1 Ausgangssituation Die Belastung der Fahrer von LKW ist durch die Einwirkung von Hitze und Lärm besonders im Fernverkehr sehr hoch. Die Quellen hierfür sind der Motor und die angeschlossenen Aggregate. Grund ist die meist unbefriedigende Isolierung der Fahrerkabine gegenüber den Antriebsaggregaten, die sich bei modernen LKW meist unmittelbar unter der Fahrerkabine befinden. Durch Kontakte zu Spediteuren und Herstellern von LKW wurde Kiener auf die Problematik der unzureichenden Isolation der Fahrerhäuser gegen Lärm und Hitze aufmerksam. Die Anwendung von Poroblech als metallisches Lärm- und Hitzeschild verspricht hier erhebliche Vorteile gegenüber den heutigen Lösungen. Ein wesentlicher Hinderungsgrund für die Anwendung von Poroblech in den Fahrerkabinen besteht darin, dass für die großflächige Auskleidung der Fahrerhäuser große Bauteile erforderlich sind, die den stark zerklüfteten Räumen angepasst werden müssen. Es ist wegen der hohen Kosten für die erforderlichen Werkzeuge deshalb in der Regel nicht wirtschaftlich, diese aus einem Stück herzustellen. Benötigt werden deshalb modulare Lösungen, die sich aus standardisierten Elementen aufbauen lassen. Diese haben den Vorteil, dass daraus mit geringem Aufwand viele Varianten hergestellt werden können, allerdings auch den Nachteil höherer Montagekosten, weshalb eine Optimierung des gesamten Prozesses von Herstellung und Montage notwendig ist., wofür bisher noch keine ausreichenden Grundlagen vorhanden sind.
2.2 Zielsetzung Der Ansatz, Lärm und Hitze an LKW-Fahrerhäusern durch metallische Materialien auf der Basis des Poroblechs zu absorbieren bzw. abzuleiten und diese modular herzustellen, um möglichst ohne großen Aufwand an die verschiedensten Typen angepasst werden zu können, ist bisher noch nicht gegangen worden und bietet die Chance, völlig neuartige Produkte zu schaffen. Es sollte deshalb ein Absorber entwickelt werden, der gegenüber konventionellen Lösungen die folgenden Vorteile erwarten lässt:
hohe Schallabsorption hohe Wärmereflektion umweltfreundliche Materialien kein Schimmel- und Bakterienbefall Vermeidung von Brandrisiken einfache, zerstörungsfreie Reinigung mit Wasserstrahl Nachrüstbarkeit hohe Flexibilität geringe Bauhöhe geringere Kosten
Die qualitativen Ziele des Vorhabens sind im Einzelnen: 1) Entwicklung eines Schallabsorbers für LKW-Fahrerkabinen unter Verwendung von
Poroblech, mit dem Folgendes erreicht wird:
eine deutliche Reduzierung der Lärmbelastung in der Kabine Reduzierung der Wärmeeinwirkung innerhalb der Fahrerkabine
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Reduzierung der
Werkzeugkosten, die für die Umformung des Ausgangsmaterials in die der Fahrerkabine angepasste Form benötigt werden
Konstruktions-, Werkzeug- und Fertigungskosten für die Anpassung an unterschiedliche Typen von Fahrerkabinen
Zeit für Varianten-Konstruktion und Fertigungsvorbereitung
2.3 Stand der Technik Zur Reduzierung der thermischen und insbesondere der akustischen Dauerbelastung der Fahrer hat es große Anstrengungen gegeben, doch dringt Lärm in Form von abgestrahlten Körperschallwellen vom Motor und Wärme in noch unerwünschter hoher Intensität in die Fahrerzelle ein. Die eingesetzten Materialien - Schaumstoffe mit durchgängigen Poren, Basalt und Glasfaser usw. - dämpfen und dämmen zwar die Wärme und den Lärm, sind aber in ihrer Wirkung begrenzt und haben auch den Nachteil, dass sie nicht wärmefest sind, sich auflösen durch Zerfasern und ein gewisses Setzverhalten und somit an Wirkung verlieren. Ein weiterer Nachteil dieser Materialien ist, dass sie sich mit Flüssigkeiten voll saugen können und, sofern Dieselkraftstoff und Benzin beteiligt ist, zu einer hohen Brandgefahr führen können. Außerdem lassen sie sich schlecht reinigen, wodurch es zu Schimmel- und Bakterienbefall kommt. Als elementarer Nachteil dieser Isolierungen ist zu nennen, dass sie beim Reinigen mit einem Hochdruck-Wasserstrahl zerstört werden. Diese Nachteile lassen sich durch Einsatz eines metallischen Sandwichs auf Basis von Poroblech vermeiden.
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3 Hauptteil Im Folgenden sind die bisher durchgeführten Entwicklungsschritte, die zu einem leisen und gut temperierten Führerhaus führen, dargestellt.
3.1 Wirkprinzipien und theoretische Betrachtungen zur Auslegung von Akustischen- Hitzeschilder für einen LKW
3.1.1 Akustische Wirkprinzipien des Gewebe-Schallabsorbers Poroblech ist ein Gewebeabsorber aus Metall oder Kunststoff bei dem die Porosität durch zusammenpressen des Gewebes eingestellt werden kann. Die Luftschallabsorption erfolgt durch Reibung der hin und her schwingenden Luftmoleküle in der Luftgrenzschicht zwischen den Gewebedrähten. Wird das dicht gewobene Metallgewebe, nach dem Weben auf die Dicke 2r zusammen gepresst oder gewalzt, so verringern sich die Drahtabstände Sp in den Submillimeterbereich von ca. 0,03 mm. Die Schuss- und Kettdrähte pressen sich ineinander. Die Schussdrähte zwischen den Kettdrähten, die vor dem Pressen gegenläufig schräg zueinander liefen, verlaufen jetzt nahezu parallel. In dem Gewebeabsorber schwingt die Luft, in den vielen, nebeneinander angeordnet, Poren Sp als Masse zusammen mit dem abgeschlossenem Luftvolumen der Dicke d (λ/4) als Feder-Masse- Resonator. Bei allen porösen Luftschallabsorbern, in denen Luftschwingungen durch Reibung bedämpft werden sollen, spielt das Verhältnis aus Pore quer zur Schwingungsrichtung und Grenzschichtdicke δ eine wichtige Rolle. Für Poren mit dem Spalt Sp liefert Z. B. der Grenzschichtparameter X ein dimensionsloses Verhältnis
X = Sp /2δ = 1 X = Sp/2 0,65 √ fo fo = (Sp/2x 0,65)² Man kann also die Mikroperforation des Gewebes durch Walzen oder Pressen, je nach avisiertem Frequenzbereich fo, so einrichten, dass für Sp im Submillimeter-Bereich X nicht viel größer als von 1 abweicht; Sp in m; 0,65 Faktor ohne Wärmeleitung ; 0,42 Faktor mit Wärmeleitung.
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Abbildung 1: Tressengewebe ungewalzt
Abbildung 2: Tressengewebe gewalzt
Mit entsprechend engen Spalten kann man die Reibung für die Schallschwingung so einstellen, dass es zur optimalen Schallabsorption kommt, so dass es kein zusätzliches Dämpfungsmaterial vor oder hinter dem „Gewebe - Absorber“ bedarf.
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3.1.3 Akustische- Absorber: Aufbau Man unterscheidet akustische Absorber mit rückseitig freien Wandaufbau also die rückseitig nicht schallhart abgeschlossen sind (netto Absorber) bei der demnach die Schallenergie über Reibung Ξ in Wärme umgewandelt wird. Bei Schallabsorbern, die rückseitig schall abgeschlossen sind, (brutto Absorber) treten keine Verluste durch Schalltransmission τs auf und der Verlustgrad entspricht dem Absorptionsgrad. Man unterscheidet drei Absorberaufbauten bei denen die Schallabsorber
1. frei angeordnet sind (netto Absorber) nach Christian Thomas 2. direkt auf einer schallharten reflektierenden Wand angebracht sind 3. in einem gewählten Abstand d zur schallharten reflektierenden Wand angebracht sind
(brutto Absorber) 4. verfüllte Absorber bei denen der Abstand zur schallharten reflektierenden Wand mit
einem zusätzlichen Absorber verfüllt werden (Schaumstoff o. Glaswolle) Der dritten Variante stellt einen akustischen Resonator dar, als mechanisches Masse- Feder- Dämpfer- System. Dabei repräsentiert die Flächenmasse m’ die Masse der Luft in den Spalten und die Feder mit der flächenbezogenen Steifigkeit s’ das hinter den Spalten befindliche Luftvolumen des Hohlraumes.
s’=ρc²S²/V=ρc²(πa²)²/de² und die Luft in den Spalten als Masse m’
m’=ρ(lo+2Δl)/σ =a²π/e²
Pe
Pr
Pe
Absorber
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3.2.1 Erstellung von Schallpegeldiagrammen für die unterschiedlichen Absorbersysteme
In dem in Abbildung 4 dargestellten Schallpegeldiagramm sind die Dämm – und Dämpfwirkungen der einzelnen Schallabsorbersysteme aufgeführt: 1.) Die obere blaue Kurve zeigt die Schallabstrahlung eines Lautsprechers mit weißem Rauschen ohne Dämmung. 2.) Die lila Kurve zeigt die Abstrahlung bei übergestülpten Poroblechwürfel über den Lautsprecher aus Poroblech F, glatt, verz.. 3.) Die gelbe Kurve zeigt die Abstrahlung bei übergestülpten Stahlblechwürfel 4.) Die untere blaue Kurve zeigt die schallabstrahlungs Reduzierung, wenn über den strahlenden Lautsprecher ein 30 mm dickes Schallabsorber- Resonanzsystem gestülpt ist.
Abbildung 4: Schallpegel-Diagramm Poroblechwürfel
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3.2.2 Messung des Schallabsorptionsgrades α in Funktion zum Abstand zur Schallhart- reflektierenden Wand
Plaziert man den Gewebe-Schallabsorber im Abstand von λ/4 vor einer schallhart- reflektierenden Wand, so erfährt die Schallschnelle v eine Verdoppelung durch Überlagerung der reflektierten Schallwellen zu einer stehenden Welle.
Abbildung 5: Diagramm Abstand zur Schallhart-reflektierender Wand
Die Luftmoleküle werden in der Grenzschicht zwischen den Spalten am effektivsten durch Reibung gebremst, wenn diese eine hohe Schallschnelle v aufweisen. Die Reibung ist proportional zur Schallschnelle. In Folge dessen wird die auftreffende Schallenergie durch den Schallabsorber in Wärme umgewandelt.
3.2.3 Messung des Absorptionsgrad α in Funktion zum Hohlraum- Abstand d
Abbildung 6: Diagramm Funktion zum Hohlraum – Abstand d
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Abbildung 7: Noppung des Gewebeabsorbers
Auswirkung der Noppung:
1.) Anhebung der Mündungskorrektur 2ΔL 2.) Vergrößerung der Absorberfläche 3.) hoher Absorptionsgrad 4.) breitbandige Absorption
In der nachfolgenden Abbildung 8 ist die Wirkungsweise der Noppung dargestellt.
Schnitt Schallwelle
sp
sp
3.2.5 Herleitung der Luft- Resonanzfrequenz Gleichung fo aus der Helmholtz- Resonanzgleichung
fo=c/2π√So/Vo(l+2Δl)
o = √ K/M
Masse M = ρo (2r+2ΔL)b So Federkonstante K = ρo c² S²o / Vo Volumen Vo = d(2r+Sp)b Spaltfläche So = Spb Lochflächenverhältnis σ = Sp/(2r+Sp ) Spaltlänge b Absorber- Dicke 2r+2ΔL Mündungskorrektur 2ΔL = Km
fo = c/2π √ So/ Vo 2(r+ΔL)
fo = c/2π√Spb/(Sp+2r)b d2(r+ΔL)
fo = c/2π√σ/ d2(r+ΔL) Wirkfunktion: Die Luft schwingt in den vielen nebeneinander angeordneten Reib-Spalten als Masse m’ zusammen mit der im Zwischenraum Vo befindlichen Luft, welche als Feder wirkt. Dabei wird in besonderer Weise inhärente Dämpfung aktiviert, die zur Schallabsorption beiträgt. Der Hauptunterschied zum konventionellen Helmholtz- Resonator liegt in dem höheren Strömungswiderstand r’ und der geringeren Luftmasse m’ in den Reib-Spalten, die sehr stark von der Luftschallfrequenz abhängen.
Sp Sp
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Nachfolgend ist der Absorptionsgrad in Funktion zum Lochdurchmesser b deutlich erkennbar bei gleichem Lochflächenverhältnis dargestellt. Absorptionsgrad α in Funktion zur Porengröße: Die mittlere Kurve beschreibt einen konventionellen Helmholtz – Resonator mit zu geringer Dämpfung - und Bandbreite. Die unterste Kurve Δ ist ein überdämpfter Resonator mit viel zu kleinen Löchern und hoher Reibung. Demgegenüber zeigt die obere Kurve schon die charakteristische Breitbandigkeit eines MPA- Resonators mit hohem Absorptionsgrad von 0,9 auf.
Abbildung 10: Absorptionsgrad Porengöße
Erweitert man den Lochdurchmesser der unteren Kurve Δ auf 0,3 mm und den Lochabstand a von 1,13 mm auf 1,35 mm, so verdreifacht sich das Lochflächenverhältnis σ auf 0,039, so sinkt die Reibung auf einzehntel von 14,49 (Pas/m) auf 1,42 (Pas/m) und die Porenzahl pro m² reduziert sich von 784000 auf 549000 Poren. Die Luftmasse m’ verdreifacht sich, so dass sich dadurch der Absorptionsgrad vervierfacht.
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Abbildung 11: Absorptionsgrad Porengröße
Will man die Bandbreite vergrößern, so kann man dies bei gleichem σ mit kleinerem b und damit größerem r’ erreichen. Allerdings steigt der Aufwand durch die höhere Lochzahl. Das Maximum verschiebt dabei um etwa 300 Hz in den höheren Frequenzbereich. Man kann den MPA in Analogie zum einfachen Feder/Masse-System hinsichtlich ihrer Haupt- Resonanzfrequenz charakterisieren fMPA = c/2π√σ/d 2r Km (Hz) Bei der Betrachtung der Aufgabe wirft sich die Frage auf in wie Fern kann man den reinen nur mit einer Öffnung versehenen Helmholtz-Resonator mit einem MPA Plattenabsorber vergleichen kann. Die Luftschallabsorption findet durch Luftresonanz beim Helmholtzresonatoren und bei MPA Resonatoren statt, wobei die Masse m’ im Hals als auch die Federsteife s’ im Volumen V von der Luft gebildet wird. Die Resonanzfrequenz eines solchen Masse-Federsystems ist. fo=1/2π√s’/m’ fo=C/2π√S/V(lo+2Δl)
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Helmholtz Resonator MPA Resonator Schlitzplatten Resonator Abbildung 12 Resonator Setzt man voraus, dass jedes einzelne Loch ein dahinter liegendes Volumen von der Seitenlänge e und der Tiefe d hat so wird V zu:
V = d e²
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In die Helmholtz Formel fo = c / 2π√S/(lo+2Δl)V eingesetzt die zur Berechnung der Resonanzfrequenz fo führt, ergibt
fo = c/2π√πa²/(lo+2Δl)de²
m=ρ(lo+2Δl)/σ =a²π/e²
m=ρe²(lo+2Δl)/a²π eingesetzt ergibt
fo=c/2π√πa²/(lo+2Δ l)de²(ρe²(lo+2Δl)²/(a²π)² 1/m=a²π/ρe²(lo+2Δl)
fo=c/2π√ρ/dm
fo=59,3075/√dm
fo=60/√md Die wichtigste Größe ist die Dichte ρ Für die Herleitung der Resonanzfrequenz in einem MPA Resonator kann man auch über den Ansatz der Wandimpedanz gehen. Diese setzt sich aus Real- und Imaginärteil zusammen Aus der Masse jm und der Feder s/j
W=R+jm+s/j (Ns/m³) Der Massenbelag m’ wird berechnet
m’=ρloπa² pro Loch
m’=ρlo/ pro Absorberfläche (kg/m²) Das Luftpolster V wird berechnet
V=de² (m³) Die Federsteife s’ beträgt demnach
s’=ρc²S²/V=ρc²(πa²)²/de² Um den Massenbelag von der Lochfläche unabhängig zu machen und gleichzeitig einen Bezug zum Lochflächenverhältnis herzustellen, dividieren wir durch die Lochfläche πa² und durch das Lochflächenverhältnis πa²/e² und erhalten somit
s’=ρc²(πa²)²/de² /πa²πa²/e² =ρc²/d
ρc²=Kad Kad=K=1,410²10³ ( Pa)
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s=Kad/d Die Resonanzfrequenz fo ist dort zu finden wo der Imaginärteil der Wandimpedanz zu Null wird.
( ωm- s/ω )=0 ---- ωo² =s/m ---- ωo=√Kad/md --- 2πfo=ωo
fo=1/2π√Kad/√md =1/2π√1,41 10³10²/md
fo=60/√md
Die wichtigste Größe ist hier der Kompressionsmodul Kad = 1,41 10³ 10² Pa Die Abstimmungsgleichung des Helmholtz Resonators mit nur einer Öffnung entspricht der eines MPA Plattenresonators mit vielen kleinen Schlitzen oder Bohrungen. Betrachtet man nun die zwei Skizzen des einzeln Helmholtz Resonators und des MPA Absorbers: ² Abbildung 13: Helmholtz Resonator so kann man die Helmholtz Resonatorfrequenz
fHz=c/2π√SH/V(lo+2Δlo) auf die spezifischen MPA Absorbers gekennzeichnete Größen d=Wandabstand σ=Lochflächenverhältnis a=Lochradius e²=Absorberfläche SA umschreiben:
fHz=c/2π√SH/V(lo+2Δlo) in fMPA=c/2π√a²π/e²d(lo+2Δlo) Wobei a²π/e² = σ und SH=a²π und SA=e² und V=e²d ist
fMPA=c/2π√ σ/d(lo+2Δlo) 2Δlo=KMZ
fMPA=c/2π√ σ/dloKMZ
3.3.1 Bauteilanforderungen hohe Schallabsorption α 0,6 – 0,9 bei einer Frequenz zwischen 800 Hz – 2300 Hz Hohe Wärmereflektion kein Schimmel und Bakterienbefall nicht zerstörbar mit Hochdruckreiniger nicht brennbar geringe Bauhöhe geringe Herstellkosten
3.3.2 Konstruktion des Sandwichsaufbaues: Das Sandwich hat eine frequenzabhängige Bauhöhe von 10 mm bis 35 mm. Die zur Lärm- und Wärmequelle zugewandten Seite besteht aus dem
metallischen Gewebeabsorber Poroblech F (F für gefügt, gewalzt). Die schallreflektierende Gegenwand besteht aus einem genoppten, verzinktem
Stahlblech mit einer Dicke von 0,4 mm bis 0,8 mm und einer Noppenhöhe von ca. 1,5 mm.
Der Zwischenraum wird zur thermischen Abschirmung und zur akustischen Absorption mit mindestens drei Lagen mikroperforierte Noppenfolie aus Aluminium ausgekleidet. (siehe Bild unten)
Gewebeabsorber Mikroperforierte Noppenfolie Noppenblech
Abbildung14: Sandwichaufbau
Alternativ kann der Zwischenraum auch mit einer einfachen Wabenstruktur aus Aluminium oder in Kombination mit Noppenfolien verfüllt werden, wobei die Wabe als Distanzelement und zur Schallkassetierung dient. Der Zwischenraum wird durch Distanznieten fixiert. Das Sandwich kann alternativ aus Stahl oder Aluminium hergestellt werden.
Um die Schalltransmission τ noch weiter zu verringern, wurden unterschiedliche Varianten von Sandwichaufbauten geplant. In einer Alternative wurde u.a. das genoppte Gegenblech mit dem stark dämpfenden Poroblech F.
3.4 Schallabsorptions-Messung im Impedanzrohr Da die schallabsorbierende Frequenz bei einer Halbwertsbreite fH zwischen 800 Hz und 2300 Hz liegen soll, haben wir Sandwichs in Höhe von 10 mm bis 20 mm ohne Zwischenraumverfüllung ausgewählt und mit einem Impedanzrohr Ø 45 mm als Stichversuch vermessen.
Abbildung 16: Schallabsorptionsgrad - Messung Impedanzrohr Ø 45 mm
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3.5 Schallabsorptions-Messungen in der Alphakabine Vermessung verschiedener Sandwichaufbauten und Wandabstände d mit und ohne Waben. Als neue Alternative wurde ein genopptes Poroblech F mit einer Noppenhöhe von 1,7 mm, dessen Absorptionsgrad um ca. 30% höher liegen soll, mit glattem Poroblech F getestet und verglichen.
Abbildung 17: Vergleichsmessung - genopptes und glattes Poroblech
Die akustischen Messungen und Optimierungen wurden von uns in den Akustiklaboren der Firmen Daimler-Benz AG, Rieter Automotive und HP Pelzer durchgeführt.
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Abbildung 21: Vergleichsmessung – glattes Poroblech F ohne Wabenstruktur
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3.6 Hochdruckreinigungsversuch Um die konstruierten Sandwichaufbauten weiter zu testen wurden schon in der ersten Entwicklungsschleife Hochdruckreinigungstests bei 150 bar Wasserdruck und einem Düsenabstand von 100 mm durchgeführt. Dieser Test soll den Nachweis erbringen, dass die Außenhaut des metallischen Gewebeabsorbers Poroblech F durch den Hochdruckwasserstrahl nicht zerstört werden kann.
Abbildung 22: Hochdruckreinigungsversuch
3.7 Salzspühtest Um die Witterungsbeständigkeit weiter zu untersuchen, wurde in einer Salzsprühkammer bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von 240 Stunden eine Zerstörungsprüfung mit einem Poroblechmuster durchgeführt. Dabei zeigte sich an dem 0,6mm dicken Gewebe aus verzinkten Stahl keinerlei Rotrostbildung. Zusätzlich wurde ein weiteres zusammengeschweißtes Muster (Rollschweißverfahren) untersucht. Auch hier ist keinerlei Witterungseinfluss zu erkennen.
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Abbildung 23: Hitzeschildaufbau 9mm mit Ergebnisreihe
Abbildung 24: Hitzeschildaufbau 20mm mit Ergebnisreihe
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Ermittlung des Schallabsorptionskoeffizienten α in Funktion zum Wandabstand d in einem Frequenzband im Impedanzrohr
Untersuchungen zur Wand-Schallabstrahldämpfung Ermittlung des Verlustfaktors von Poroblech F
Ermittlung der Schallpegelminderung durch Luftschallabsorption und Körperschalldämpfung.
Zuerst wurden bei Federal Mogul Versuche zur Bestimmung des Absorptionsgrades von Poroblech F Nr. 8 in Funktion zum Wandabstand d durchgeführt. Die Porobleche wurden ein- und zweilagig in einem Abstand von 5 mm, 10 mm und 20 mm zur schallharten Wand geprüft.
Abbildung 25: Versuchsaufbau Federal Mogul - Impedanzrohrmessung
Die Ursache der Breitbandigkeit des Frequenzspektrums des Absorptionsgrades liegt in den vielen kleinen eng liegenden Reibspalten. Die Verschiebung der Kurven in den niederfrequenten Bereich in Funktion zum größeren Wandabstand ist deutlich zuerkennen. Auch die Doppellagigkeit der Porobleche mit dem höheren Reibungswiderstand Ξ ist in Funktion zum Absorptionsgrad ersichtlich.
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Abbildung 26: Ergebnisse Impedanzrohrmessung
Weitere Absorptionsgradmessungen mit dem Impedanzrohr mit den Abständen d zur schallharten Wand 110 mm, 50 mm und 20 mm sind im nachstehenden Diagramm ersichtlich.
Abbildung 27: Diagramm zu Impedanzrohr mit unterschiedlichen Abständen zur Wand
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Um die Wirkung Luftschallabsorption zu untermauern wurden bei der Firma HP Pelzer weiterführende Schallmessungen durchgeführt.
04.03.2008 2Bernd Borgmann, Technischer Bericht
Messung Alphakabine Absorptionsgrad α / Äquivalente Absorptionsfläche
Volumen: 6,44 m³ Oberfläche (innen): 22,6 m² Dimensionen [m]: 3,22 x 2,37 x 2,03 Gewicht: 1830 kg
Bestimmung der Absorption
Messung der Absorption im statistischen Schallfeld Alphakabine
Die Absorption wird mit Hilfe der Sabin´schen Formel durch Bestimmung der Nachhallzeiten ermittelt. Die Messung der Nachhallzeiten erfolgt an 5 Positionen in einem Radius von 1m.
−∗∗==
1200*1000
Proben Benötigt werden plane Proben mit einer Probenfläche von 1,2m² oder Formteile, die eine Probenfläche von 0,6m² nicht unterschreiten. Bei Formteilen muss die Messung entsprechend der späteren Verwendung (Einbau) durchgeführt werden, dass heißt auf einem Blech- oder Modelteil.
Abbildung 28: Messungen Alphakabine HP Pelzer
04.03.2008 5Bernd Borgmann, Technischer Bericht
Messung Alphakabine Porobleche F Nr.8 (sortiert nach Wandabstand)
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei dif fusem Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=0mm
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei diffusem Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=5mm
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei dif fusem Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=10mm
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei dif fusem Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=20mm
Wandabstand 0mm Wandabstand 5mm
Wandabstand 10mm Wandabstand 20mm
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0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Frequency [Hz]
A bs
or pt
io n
[-]
Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen abgeklebt Serie: Messserie 5 mm Bodenabstand Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen abgeklebt Serie: Messserie 10 mm Bodenabstand Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen abgeklebt Serie: Messserie 15 mm Bodenabstand Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen abgeklebt, 33 mm Serie: Wabenstruktur
Abbildung 31: Messergebnisse Alphakabine - Poroblech genoppt
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Als weiterführende Versuche ermittelten wir die Schallpegelreduzierung, der von uns entwickelten akustische Hitzeschilder- Sandwiches. Die Sandwiches haben eine Dicke von 9 mm und 20 mm, diese Dicke wurde vorab konstruktiv aus vielen Einsatzfällen ermittelt. Der konstruktive Aufbau der Sandwiches ist in den Abbildung 23 und 24 dargestellt.
Schalldruckpegeldiagramm Sandwich 9mm + 20mm dick
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
)
79,9 ohne Sandwich 64,4 mit S.W. 20mm 2xPoroblech 66 mit S.W. 9mm 2xPoroblech 66,3 mit S.W. 9mm 1xPorobl. S.W. 20mm 1xPorobl. MAN Akkustischhe Belastung von der Motorseite
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Schalldruckpegeldiagramm Sandwichentwicklung
verschiedene Sandwich
)
79,9 ohne Sandw ich 68,1 mit Leerraum 9mm 66,6 mit 2 Knickfolien glatt 9mm 69,4 mit 2 microperf. Knickfol. 9mm 67,9 mit Stahlw olle 9mm 67,2 mit Leerraum 20mm 65,5 mit 4 Knickfolien glatt 20mm 64,4 mit 4 microperf. Knickfol. 20mm 66,4 mit Stahlw olle 20mm 64,4 mit S.W. 20mm 2xPoroblech 66 mit S.W. 9mm 2xPoroblech 66,3 mit S.W. 9mm 1xPorobl. S.W. 20mm 1xPorobl.
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Die Messergebnisse bestätigen den hohen Wirkungsgrad der Aufbauten. Diese Multi- Wall- Struktur mit den mehrfachen Strahlungsschutzschirmen die den Wärmeübergang durch Leitung klein hält und den geringen Strahlungswärmefluss nutzt, wird in die Entwicklung des akustischen Hitzeschildes für NFZ oder LKW aufgenommen.
3.11 Entwicklung eines akustisches – Hitzeschildes für LKW Basierend auf den Ergebnissen der voran dargestellten Untersuchungen wurden verschiedene Prototypen in ein uns zur Verfügung gestelltes Fahrerhaus eingebaut. Die Bilder zeigen die Unteransicht bei hochgestelltem Fahrerhaus.
Abbildung 34: LKW - Fahrerhaus konventionell (links) und mit Poroblech (rechts)
Abbildung 35: Prototyp LKW-Unterboden - Seitenabdeckung
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Abbildung 36: Prototyp LKW-Unterboden
Erste Schallpegelmessung am Fahrzeug ohne Motor. Als Schallstrahler wurde ein Lautsprecher mit weißem Rauschen eingesetzt. Bei diesem Versuch war die klare Erkenntnis, dass man auf eine zusätzliche Hinterfütterung mit einem Schallabsorbermaterial verzichten kann.
Abbildung 37: Schallpegelmessung LKW - Fahrerhaus
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Abbildung 39: Poroblech-Tunneldämpfung ohne Aluminium Knitterfolieneinlage
Die hergestellten Unterböden wurden von uns im Versuchslabor der Daimler Benz AG getestet und bewertet.
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Abbildung 41: Messergebnisse 0,6mm Poroblech mit AL-Folie Daimler Benz AG
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Abbildung 42: Messergebnisse 0,6mm Poroblech ohne AL-Folie Daimler Benz AG
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3.12 Ergebnisdarstellung In Bezug auf die Thermoergebnisse zeigte der Einbau der der Al – Knitterfolie eine starke Temperaturabsenkung von über 25 C°. Dies werten wir als erheblichen Fortschritt. Die Schallpegelergebnisse bei den durchgeführten Messungen am Fahrzeug zeigen eine leichte Innengeräuschreduzierung im Fahrerhaus, die jedoch nicht den Erwartungen entspricht und deshalb in einer weiteren Optimierungsschleife noch verbessert werden müssen.
Abbildung 43: Schallpegelergebnisse am Fahrzeug
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Abbildung 44: Motorraumabdeckung Variante 1 MAN
Abbildung 45: Motorraumabdeckung Variante 1 MAN Seitenansicht
Abbildung 46: Motorraumabdeckung Variante 1 MAN Draufsicht
Aus Sicht der Einbaufähigkeit wurde hierbei auch besonderen Wert auf die Verschraubungen gelegt. Hier wurden im Vorfeld Untersuchungen durchgeführt, um auch den Verlustfaktor von Körperschallweiterleitungen an einer Schraubverbindung durch den Einsatz von Poroblech näher zu untersuchen.
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4 Fazit Das entwickelte Lärm- und Hitzeschild zielt darauf ab, Lärm- und Hitzeeinwirkung der Antriebsaggregate eines LKW auf den Innenraum des Fahrerhauses zu reduzieren. Lärm wird dabei nicht nur zurück gehalten sondern absorbiert. Die aus den Antriebsaggregaten kommende Wärme wird dabei schnellstmöglich an die Umgebung abgeleitet, respektive vom Fahrerhaus fern gehalten. Die Messergebnisse zeigen dabei eine Absenkung der Temperatur um über 25°C. Dieses Entwicklungsziel ist deshalb als Erfolg zu bewerten. Die Reduzierung des Schalls innerhalb des Fahrerhauses bzw. an die Umgebung abstrahlenden Lärms ist in den ersten Versuchsreihen nicht in dem erhofften Ausmaß gelungen. Gründe hierfür sind vor allem in dem breiten Frequenzspektrum zu sehen, das von den Antrieben und Fahrgeräuschen erzeugt wird und mit einfachen Mitteln nicht absorbiert werden kann. Die Schallabsorption gelingt bei den so genannten λ/4-Absorbern nur, wenn die die Schallwellen „bremsenden“ Poren im Abstand von einem Viertel der Wellenlänge wirksam werden. Bei niederfrequentem Schall führt dies entweder zu erheblichen Baugrößen oder deutlichem Verlust an Effizienz. Bei hochfrequentem Schall sind dagegen nur geringe Baugrößen notwendig. Der benötigte Kompromiss in der Bauart muss in weiteren Versuchsaufbauten genauere analysiert werden, um allen Einfluss- und Zielgrößen gerecht zu werden. Dies erfordert sowohl die weitere Suche nach geeigneten Materialien, als auch Optimierung von Porengröße, Oberflächenstruktur, Geometrie, Anzahl von absorbierenden Lagen und Füllstoffen. Daraus lässt sich voraussichtlich für bestimmte Frequenzen ein Ergebnis finden, das den Zielvorstellungen gerecht wird. Auf Grund der bisher gemachten positiven Versuchsergebnisse, sind wir der Auffassung, dass mit dem Aufbau einer weiteren Entwicklungsschleife akustische Hitzeschilder schon in einem Versuchsfahrzeug dauerhaft getestet werden können. Bezüglich der Vermarktung ist ein wesentlicher Risikofaktor der Preis für die eingesetzten Materialien, insbesondere für Metalle, der sich derzeit ständig verändert. Preissteigerungen müssen auf die Endprodukte umgelegt werden. Bei deutlich höheren Verkaufspreisen würde die Akzeptanz der Leichtbauprodukte im Kundenkreis schwinden. Bei der aktuellen Literatur- und Patentrecherche sind uns von dritter Seite bisher keine adäquaten akustischen Hitzeschilder für LKW- Fahrerhäuser bekannt geworden. Wir haben geplant, den akustischen Hitzeschild nach vorgeschrittener Entwicklung beim Deutschen Patent und Markenamt anzumelden.
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3.1.1 Akustische Wirkprinzipien des Gewebe-Schallabsorbers
3.1.2 Tressengewebe (Ausgangsmaterial für Poroblech)
3.1.3 Akustische- Absorber: Aufbau
3.2.1 Erstellung von Schallpegeldiagrammen für die unterschiedlichen Absorbersysteme
3.2.2 Messung des Schallabsorptionsgrades α in Funktion zum Abstand zur Schallhart- reflektierenden Wand
3.2.3 Messung des Absorptionsgrad α in Funktion zum Hohlraum- Abstand d
3.2.4 Absorptionsgrad α- Verbesserung durch Noppung des Gewebeabsorbers
3.2.5 Herleitung der Luft- Resonanzfrequenz Gleichung fo aus der Helmholtz- Resonanzgleichung
3.3 Konstruktion des Sandwichsaufbaues
3.6 Hochdruckreinigungsversuch
3.7 Salzspühtest
3.10 Weiterführende Testreihen
3.12 Ergebnisdarstellung
3.13 Variantenkonstruktion
4 Fazit