DE19846118C2 - Verwendung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung für ein Bauteil einer schallemittierenden Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Werkstoffes mit ho­ her Materialdämpfung für ein Bauteil einer schallemittierenden Maschine, welches Bauteil außerhalb eines schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses der Maschine angeordnet ist.

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

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

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

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 198 26 175 A1 ist eine Maß­ nahme bekannt, bei der in eine Übertragungsstrecke des Schalls - also dem Kraftfluß zwischen einem erregenden Bauteil und ei­ nem aufgrund dieser Erregung den Schall weiterleitenden bzw. am Ende insbesondere als Störgeräusch abstrahlenden Bauteil - eine Einrichtung eingebracht wird, mittels der die Stärke bzw. die Intensität des Kraftflusses zwischen einem Bauteil, von dem der Kraftfluß kommt und einem Bauteil, an das der Kraftfluß weiter­ geleitet wird, zumindest verringert wird.

Alle die genannten Maßnahmen weisen u. a. einen hohen technolo­ gischen, materialseitigen und zum Teil auch finanziellen Auf­ wand auf. Desweiteren wird durch diese Maßnahmen das Gesamtge­ wicht der Maschine erhöht, was insbesondere im Automobilbau un­ erwünscht ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine preiswerte und einfache Möglichkeit zur Beeinflussung der von einer Maschine abge­ strahlten Geräusche anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Werkstoffes gemäß dem Anspruch 1 als Werkstoff für Bauteile, die sich außerhalb des schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraft­ flusses einer Maschine befinden, aber als Quasi-Membran für den Schall wirken und die zumindest bereichsweise aus einem dieser Werkstoffe gefertigt sind, gelöst.

Der aus der nicht vorveröffentlichten DE 197 41 019 A1 bekannte metallische Werkstoff weist trotz seiner für Metalle typisch hohen Zugfestigkeit und ebenso hohen Bruchdehnung eine für Me­ talle ungewöhnlich hohe Materialdämpfung auf. Durch die Materi­ aleigenschaften des aus der DE 197 41 019 A1 bekannten Werkstof­ fes wird die Intensität des endseitig abgestrahlten Schalls und damit des Störgeräusches zumindest verringert. Diese Verringe­ rung ist auf die Eigendämpfung des verwendeten Werkstoffs zu­ rückzuführen.

Der für die außerhalb des schallerregenden bzw. - leitenden Kraftflusses angeordneten Bauteile ausgewählte Werkstoff weist schon bei geringen Schwingungsamplituten hochdämpfende Eigen­ schaften auf. Da ferner die zumindest teilweise martensitisch vorliegende Zweitphase die mechanischen Kennwerte des Basisma­ terials allenfalls vernachlässigbar beeinflußt, kann der Werk­ stoff auch gleichzeitig als Strukturwerkstoff verwendet werden.

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

Vorzugsweise handelt es sich bei der Zweitphase um eine Legie­ rung. Als günstig hat sich eine Ni-Ti Legierung erwiesen, deren Legierungsbestandteile zwischen 48 und 52 Atom-% gemischt sind; Besonders günstig ist eine derartige Legierung mit 49.9 Atom-% Ni und 50.1 Atom-% Ti. Die in diesem Absatz genannten Bestand­ teile stellen bevorzugte Werte dar. Sie sind nicht als Be­ schränkung der Erfindung anzusehen.

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

Besonders hervorzuhebende Zusätze sind im einzelnen Zirkon und/oder Hafnium und/oder Kupfer und/oder Niob und/oder Mangan und/oder Palladium und/oder Platin und/oder Eisen. Die Stabili­ sierung der martensitischen Phase kann durch eine Vorbehandlung der Zweitphase erfolgen, indem z. B. eine Deformation der Zweit­ phase oder eine Homogenisierung der Legierungsbestandteile durchgeführt wird.

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

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

Des weiteren ist es zweckmäßig die Materialien der Zweitphase und des Basismaterials derart aufeinander abzustimmen, daß die beiden Materialien an ihren Grenzflächen zumindest bereichswei­ se eine Verbindung ausbilden.

Durch die metallische Zweitphase mit zumindest teilweise mar­ tensitischem Gefüge innerhalb des Basismaterials gelingt es, die Anforderungen von seiten der Dämpfung an den Werkstoff zu­ mindest weitgehend, insbesondere allein durch die Zweitphase zu erfüllen. Sinnvollerweise wird als Basiswerkstoff ein Leichtme­ tall und/oder eine Leichtmetall-Legierung verwendet. Als beson­ ders günstig hat sich hierbei die Al-Legierungen mit der Be­ zeichnung EN AW-6061 gemäß DIN EN 573 herausgestellt. Des wei­ teren können auch Basismaterialien eingesetzt werden, die ver­ schiedene Gefüge aufweisen oder die als Verbundwerkstoffe min­ destens eine weitere Drittphase zur Verstärkung besitzen. Eine auf das Basismaterial abgestimmte thermomechanische Behandlung führt zweckmäßigerweise zu einer vorteilhaften Erhöhung der Festigkeit des Basismaterials.

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffes gemäß des Anspruchs 1 sowie der dazugehörigen An­ sprüche kann der nicht vorveröffentlichten DE-P 197 41 019 ent­ nommen werden.

Weitere Werkstoffe, die erfindungsgemäß ebenso zur Herstellung für Bauteile verwendet werden können, die außerhalb eines schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses angeordnet sind, sind insbesondere Legierungen, deren Legierungselemente eine sehr geringe Löslichkeit im Grundwerkstoff aufweisen. Bei der­ artigen Werkstoffen weist die Legierung an den Gitter- und Zwi­ schengitterplätzen des Grundwerkstoffes maximal 1%, bevorzugt maximal 0.5% und besonders bevorzugt maximal 0.1% ein anderes Element auf.

In bevorzugter Weise handelt es sich bei derartigen Werkstoffen um Leichtmetall-Legierungen. Als Basiswerkstoff wird das Leichtmetall wegen seiner geringen Dichte bzw. seines geringen Gewichtes ausgewählt. Zweckmäßig sind insbesondere Leichtme­ tall-Legierungen, die Mg als Grundwerkstoff aufweisen. Als be­ sonderes günstig haben sich hierbei Mg-Si-Legierungen und/oder Mg-Zr-Legierungen und/oder Mg-Ni-Legierungen und/oder Mg-Mn- Legierungen erwiesen.

Die erwähnten Legierungen weisen allesamt einen Mindestanteil von Mg auf, der größer als 67 Atom-% ist. Der Anteil des zwei­ ten Elements in der Legierung ist bei Mg-Si-Legierungen typi­ scherweise ein Anteil von 0,5-4 Atom-% Si, bei Mg-Zr- Legierungen typischerweise ein Anteil von 0,2 Atom-% Zr, bei Mg-Ni-Legierungen typischerweise ein Anteil von 2-11 Atom-% Ni und bei Mg-Mn-Legierungen typischerweise ein Anteil von bis zu 1 Atom-% Mn.

Die Legierungselemente reagieren mit dem Magnesium und liegen als Ausscheidungen im Gefüge vor. Bei einer Mg-Si-Legierung wird bspw. Mg₂Si, und bei einer Mg-Ni-Legierung bspw. Mg₂Ni ausgeschieden.

Als weitere mögliche Werkstoffe sind bspw. neben weiteren binä­ ren Mg-Legierungen wie Mg-N, Mg-Sb, Mg-Sr und Mg-Cu auch Kombi­ nationen der Legierungselemente wie bspw. Mg-Mn-Si denkbar.

Desweiteren sind auch Al-Legierungen mit Legierungselementen geeignet, die sich kaum im Grundwerkstoff Al lösen.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Werkstoffangaben zu den genannten Mg-Legierungen angegeben, wobei folgende Symbole verwendet wurden:
R_ρ0,2: für die Dehngrenze in MPa
R_m: für die Zugfestigkeit in MPa und
η: für den Verlustfaktor.

Trotz der gegenüber dem Werkstoff gemäß Anspruch 1 schlechteren Zugfestigkeit können die eben genannten Werkstoffe dennoch zur Herstellung von Bauteilen verwendet werden, die außerhalb eines schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses einer Maschine angeordnet sind. Auch bei diesen Werkstoffen beruht die Verrin­ gerung der Intensität des abgestrahlten Schalls auf einer Ei­ gendämpfung des verwendeten Werkstoffes.

Bei den für die Erfindung bevorzugten Maschinen handelt es sich insbesondere um Flugzeuge, um Hubschrauber, um Lokomotiven und/oder um Waggons einer Eisenbahn, oder um kraftmaschinenbe­ triebene Kraftfahrzeuge, vorzugsweise um einen Pkw oder um ei­ nen LkW.

Bei der Verwendung der Erfindung für vorzugsweise Kraftfahrzeu­ ge und hierbei insbesondere um Pkw oder Lkw wird der Werkstoff insbesondere zur Herstellung eines Steuergehäuses, einer Ventilhaube, einer Ölwanne, eines Saugrohrs bzw. -moduls, eines Lüfterblattes, eines Lenkrads, eines Mantelrohrs eines Lenk­ rads, eines Bedienelements wie einem Pedal und dgl., eines Ver­ kleidungselements, wie einem Karosserieblechs usw., eines Aus­ gleichsgetriebes, insbesondere eines Differentialgehäuses, ei­ nes Mantelrohrs und/oder einer sonstigen Verkleidung einer An­ triebswelle, und/oder einer Riemenscheibe verwendet.

Claims (12)

1. Verwendung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung und Zugfestigkeit, wobei der Werkstoff aus einem metallischen Ba­ sismaterial sowie einer metallischen Zweitphase mit zumindest teilweisem martensitischen Gefüge besteht, wobei die Zweitphase eine Legierung aufweist, welche jeweils zwischen 48 und 52 Atom-% Ni oder Ti aufweist und wobei das Basismaterial ein Leichtmetall und/oder eine Leichtmetall-Legierung ist, für ein Bauteil einer schallerzeugenden und/oder -emittierenden Maschi­ ne, welches Bauteil außerhalb des schallerzeugenden und/oder -leitenden Kraftflusses der Maschine angeordnet ist.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase eine Legierung aufweist, welche etwa 49,9 A­ tom-% Ni und etwa 50,1 Atom-% Ti aufweist.

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

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

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

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

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

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

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

10. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Legierung maximal 1%, bevorzugt maximal 0,5% und besonders bevorzugt maximal 0,1% aller Gitter- und/oder Zwi­ schengitterplätze des Grundwerkstoffes durch ein anderes Ele­ ment der Legierung ersetzt sind.

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

12. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Steuergehäuse, eine Ventilhaube, eine Öl­ wanne, ein Saugrohr bzw. -modul, ein Lüfterblatt, ein Lenkrad, ein Mantelrohr eines Lenkrads, ein Bedienelement, vorzugsweise ein Pedal, ein Verkleidungselement, ein Ausgleichsgetriebe, insbesondere ein Differentialgehäuse, ein Mantelrohr und/oder eine sonstige Verkleidung einer Antriebswelle oder eine Riemen­ scheibe ist.