DE19936882A1 - Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Für eine Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges mit Wandelementen, die einen zur Aufnahme von Fahrgästen dienenden Fahrzeuginnenraum begrenzen, soll eine Ausführungsform angegeben werden, die eine verbesserte Schallisolierungswirkung aufweist, ohne daß dazu ihre Masse vergrößert werden muß. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zumindest eines der Wandelemente eine solche Leichtbaustruktur aufweist und/oder aus einem solchen Leichtbaumaterial besteht, daß die Dichte des Wandelementes kleiner als die Dichte von Stahl ist, und daß dieses Wandelement so dimensioniert ist, daß es zum einen eine größere Biegesteifigkeit und zum anderen ein kleineres Gewicht als ein stattdessen anbringbares Wandelement aus Stahlblech aufweist, das eine für die Erfüllung üblicher Stabilitätsanforderungen erforderliche Biegesteifigkeit besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeu­ ges, insbesondere eines Personenkraftwagens mit Wandelemen­ ten, die einen zur Aufnahme von Fahrgästen dienenden Fahrzeu­ ginnenraum begrenzen.

Bei Fahrzeugen, insbesonderen bei Personenkraftfahrzeugen be­ steht der Wunsch, den Fahrzeuginnenraum schallisolierend aus­ zugestalten, um eine Lärmbelästung der Fahrzeuginsassen zu vermeiden, wodurch der Fahrkomfort erheblich gesteigert wird. Der im Fahrzeuginnenraum wahrnehmbare Schall dringt dabei durch die den Fahrzeuginnenraum begrenzenden Wandelemente in diesen ein. Derartige Wandelemente sind im wesentlichen Fahr­ zeugscheiben, ein Fahrzeugboden, ein Fahrzeugdach, eine den Fahrzeuginnenraum vom Motorraum trennende vordere Stirnwand und eine den Fahrzeuginnenraum vom Kofferraum trennende hin­ tere Stirnwand sowie Fahrzeugtüren.

Um den Schalleintritt durch die Fahrzeugscheiben zu reduzie­ ren, wurden bereits schallisolierte, insbesondere doppelver­ glaste Scheiben vorgeschlagen.

Ein beträchtlicher Anteil des von außen in den Fahrzeuginnen­ raum eindringenden Schalls wird durch den Fahrzeugboden in den Fahrzeuginnenraum übertragen. Um diese Schallübertragung zu dämmen wird der Fahrzeugboden mit einem schallisolierenden Bodenbelag versehen.

Die in der Akustik üblicherweise angewandten physikalischen Massengesetze besagen, daß eine große Masse eine entsprechend große Trägheit aufweist, so daß ein Körper mit einer großen Masse nur relativ schwer zu Schwingungen angeregt werden kann. Dies hat zur Folge, daß ein schwerer Körper relativ gu­ te Dämmungseigenschaften aufweist. Konsequenterweise wird da­ her ein herkömmlicher Bodenbelag möglichst schwer ausgebil­ det, um die Gesamtmasse der aus Fahrzeugboden und darauf auf­ gelegtem Bodenbelag gebildeten Fahrzeugbodengruppe zu erhö­ hen, mit der Folge, daß dadurch die Schwingungserregung die­ ser Fahrzeugbodengruppe reduziert und die Übertragung von Schall in den Fahrzeuginnenraum gering gehalten werden kann.

Im Hinblick auf ein Kraftfahrzeug mit möglichst niedrigem Kraftstoffverbrauch ergibt sich beim Wunsch, den Fahrkomfort des Fahrzeuges nicht zu beeinträchtigen ein Konflikt, denn eine wichtige Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrau­ ches ist die Verringerung des Gesamtgewichtes des Fahrzeuges. Wenn im Rahmen der Gewichtsreduzierung beispielsweise der Fahrzeugboden statt aus Stahlblech aus einem Leichtmetall, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden soll, hat dies unter Berücksichtigung der vorgenannten Mas­ sengesetze zur Folge, daß der leichtere Boden mehr Schall in den Fahrzeuginnenraum überträgt. Um bei einem derartigen Leichtbauboden diesen Verlust an Schalldämmung auszugleichen, muß dieser Fahrzeugboden mit einem schwereren Bodenbelag aus­ gestattet werden. Durch diese Maßnahme wird die durch die Verwendung eines Leichtbaubodens theoretisch mögliche Ge­ wichtseinsparung in der Praxis durch Komfortanforderungen be­ trächtlich reduziert. Außerdem wird die Verwendung eines oh­ nehin teureren Leichtbaubodens durch den notwendigen Einsatz eines schwereren und somit gleichfalls teureren Bodenbelages zusätzlich verteuert. Auf diese Weise ergibt sich eine wirt­ schaftlich ungünstige Relation zwischen dem reduzierten Kraftstoffverbrauch gegenüber den zusätzlich aufzubringenden Herstellungskosten für das Fahrzeug.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine Fahrgastzelle der eingangs genannten Art anzugeben, die eine verbesserte Schalldämmungswirkung aufweist, ohne daß da­ zu ihre Masse vergrößert werden muß.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Fahrgastzelle mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, wenigstens eines der Wandelemente biegesteifer auszubilden als dies für die an dieses Wandelement gestellten Stabilitätsanforderungen erforderlich ist, wobei das Wandelement durch eine Leicht­ baustruktur und/oder aus einem Leichtbaumaterial gebildet ist. Auf diese Weise kann das so gebildete Wandelement sowohl biegesteifer als auch leichter als ein stattdessen montierba­ res herkömmliches Wandelement aus Stahlblech ausgebildet wer­ den. Gleichzeitig ergibt sich durch die erhöhte Steifigkeit des Wandelementes eine verbesserte Schallisolierung für den Fahrzeuginnenraum.

Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, daß der im Fahr­ zeuginnenraum meßbare Schallpegel sich aus einem Luftschal­ lanteil und aus einem Körperschallanteil zusammensetzt. Dabei wird unter Luftschall derjenige Schall verstanden, der durch Luftübertragung auf der Außenseite der Fahrgastzelle auf ein Wandelement auftrifft, dieses zu Schwingungen anregt und von diesem mehr oder weniger gedämmt auf der Innenseite der Fahr­ gastzelle in den Fahrzeuginnenraum abstrahlt. Der auf die Fahrgastzelle einwirkende Luftschall besteht im wesentlichen aus dem außerhalb des Fahrzeuges herrschenden Geräuschpegel und, insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten, aus ae­ roakustischen Geräuschen aufgrund der Fahrzeugumströmung. Im Unterschied dazu wird unter Körperschall derjenige Schall verstanden, der innerhalb des Fahrzeuges von einer Körper­ schallquelle erzeugt, in ein Wandelement eingeleitet und von diesem in den Fahrzeuginnenraum abgestrahlt wird. Körper­ schallquellen sind insbesondere alle mechanisch angetriebenen Elemente des Fahrzeuges, wie z. B. Verbrennungsmotor, Getrie­ be, Pumpen, Gebläse.

Während die schallisolierende Wirkung eines Wandelementes ge­ genüber Luftschall aufgrund der dort ohne weiteres anwendba­ ren Massengesetze sich proportional zur Masse des Wandelemen­ tes verhält, sind die Massegesetze für die schallisolierende Wirkung eines Wandelementes gegenüber Körperschall nicht ohne weiteres anwendbar, vielmehr verhält sich die schallisolie­ rende Wirkung des Wandelementes proportional zu dessen Biege­ steifigkeit. Dies hat zur Folge, daß eine erhöhte Biegestei­ figkeit bei einem Wandelement, eine bessere schallisolierende Wirkung hinsichtlich Körperschall zur Folge hat. Wenn sich im Fahrzeug z. B. zeigt, daß die Schallübertragung einer Teilflä­ che, z. B. durch den Boden, vor allem durch die Anregung einer Körperschallquelle, z. B. durch den Antriebsstrang, und viel weniger durch eine Luftschallquelle, das ist insbesondere der Schallaußenpegel unter dem Boden, bestimmt wird, dann darf der Nachteil durch Leichtbau, der sich bei einer Luft­ schallanregung vorwiegend in einer reduzierten lokalen Luft­ schall-Dämmung des Bodens zeigt, gering eingestuft werden.

Um bei einem Bauteil die Biegesteifigkeit zu erhöhen, muß im einfachsten Fall der Materialeinsatz, das heißt die Material­ stärke vergrößert werden. Ein aus einem Leichtbaumaterial hergestelltes Bauteil weist bei gleicher Materialstärke re­ gelmäßig eine kleinere Biegesteifigkeit auf als ein bei­ spielsweise aus Stahl hergestelltes Bauteil. Daß bei der Ver­ wendung von Leichtbaumaterialien dennoch ein Bauteil her­ stellbar ist, das einerseits leichter und andererseits biege­ steifer als ein vergleichbares Bauteil aus Stahlblech ist, ergibt sich aus folgendem, zumindest für plattenförmige Bau­ teile bzw. Wandelemente geltende Zusammenhang:

B ~ E . d³,

wobei:
B = Biegesteifigkeit des Wandelementes,
E = E-Modul des Wandmaterials,
d = Wandstärke.

Aus vorgenanntem Zusammenhang ergibt sich ohne weiteres, daß ein kleinerer E-Modul eines Leichtbaumaterials leicht durch eine etwas vergrößerte Materialstärke ausgeglichen bzw. über­ kompensiert werden kann, um eine größere Biegesteifigkeit zu erhalten. Je nach Auswahl des verwendeten Leichtbaumaterials verbleibt daher auch nach einer vergrößerten Materialstärke ein Gewichtseinsparungspotential.

Wenn beispielsweise ein Wandelement aus Aluminium statt aus Stahl hergestellt wird, ergibt sich, wenn das Aluminiumwande­ lement so dimensioniert wird, daß es erfindungsgemäß eine hö­ here Biegesteifigkeit aufweist als erforderlich, zunächst ei­ ne geringere Gewichtseinsparung als bei kleinerer Biegestei­ figkeit. Jedoch hat die durch die erhöhte Biegesteifigkeit verbesserte schallisolierende Wirkung zur Folge, daß weniger zusätzliche Dämmaterialen verwendet werden müssen, um den er­ wünschten Schallpegel im Fahrzeuginnenraum einzuhalten. Da diese zusätzlichen Dämmaterialien selbst ein hohes Gewicht aufweisen können, wie z. B. der Bodenbelag des Fahrzeugbodens, ergibt sich dadurch eine Gewichtseinsparung. Aufgrund dieser Wechselwirkung kann durch die Verwendung eines erfindungsge­ mäß ausgestalteten Leichtbauwandelementes insgesamt etwa die­ selbe oder sogar eine größere Gewichtseinsparung erzielt wer­ den als bei der Verwendung eines Leichtbauwandelementes, das in herkömmlicher Weise lediglich hinsichtlich der Stabili­ tätsanforderungen dimensioniert ist.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Wandelement in einem Bereich der Fahrgastzelle ange­ ordnet sein, in dem eine Kopplung der Fahrgastzelle mit einer Körperschallquelle des Fahrzeuges vorliegt. Da das erfin­ dungsgemäß dimensionsierte Wandelement hinsichtlich seiner schallisolierenden Wirkung gegenüber Körperschall verbessert ist, kann in einem derartigen Bereich durch dieses Wandele­ ment eine besonders große Gewichtseinsparung bei gleichzeiti­ ger Verbesserung der schallisolierenden Wirkung erzielt wer­ den. Insbesondere bei einem Personenkraftwagen bildet die An­ triebsachse des Fahrzeuges eine Körperschallquelle, die nicht vollständig von der Fahrgastzelle entkoppelt werden kann. Dementsprechend wird das erfindungsgemäß ausgestaltete Wand­ element vorzugsweise in einem der Antriebsachse des Fahrzeu­ ges zugewandten Bereich der Fahrgastzelle angeordnet.

Ein besonders großes Gewichtseinsparungspotential sowie eine besonders große Verbesserung der schallisolierenden Wirkung kann dann erreicht werden, wenn das erfindungsgemäß ausge­ staltete Wandelement entsprechend einer Weiterbildung als Fahrzeugboden oder als ein Teil des Fahrzeugbodens, der der Antriebsachse des Fahrzeuges zugewandt ist, ausgebildet ist.

Leichtbaumaterialien, aus denen das Wandelement vorzugsweise gebildet werden kann, sind Leichtmetalle, zum Beispiel Alumi­ nium, Leichtmetallegierungen, zum Beispiel Aluminiumlegierun­ gen, Faserverbundkunststoffe, Glasfaserkunststoffe oder Koh­ lefaserkunststoffe sowie deren Laminate. Als Leichtbaustruk­ tur wird für das Wandelement eine Sandwich-Konstruktion be­ vorzugt.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Fahrgastzelle ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der je­ weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombi­ nationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschrei­ bung näher erläutert.

Die einzige Fig. 1 zeigt einen schematisierten Längsschnitt durch einen dem Fahrzeugboden zugeordneten Bereich einer Fahrgastzelle.

Entsprechend Fig. 1 ist ein Fahrzeugboden 1 einer im übrigen nicht dargestellten Fahrgastzelle aus mehreren Wandelementen 2, 3 und 4 zusammengesetzt. Der dargestellte Bereich des Fahrzeugbodens 1 ist dem Fondbereich eines Personenkraftwa­ gens zugeordnet, in dem in einem Fahrzeuginnenraum 5 Fondsit­ ze 6 angeordnet sind. Die Fondsitze 6 sind auf dem Wandele­ ment 4 montiert, das in herkömmlicher Weise aus einem Stahl­ blech hergestellt ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel soll der Personenkraft­ wagen einen Frontmotor und einen Heckantrieb aufweisen. Wie obenstehend angeführt bildet die Antriebsachse, hier also die Heckachse, des Fahrzeuges eine Körperschallquelle, die mit der Fahrgastzelle zur Übertragung von Schallwellen mehr oder weniger stark gekoppelt ist. Die Einleitung des Körperschalls in die Fahrgastzelle erfolgt hier im Bereich des den Fondsitz 6 stützenden Wandelementes 4 und ist durch einen Pfeil 7 sym­ bolisch dargestellt.

Vom Wandelement 4 aus Stahlblech wird der Körperschall auf das bei 8 damit, zum Beispiel durch Vernieten oder Verschwei­ sen, verbundene Wandelement 3 übertragen. Dieses Wandelement 3 ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, daß seine Biegestei­ figkeit B größer ist als es für die Erfüllung der an das Wan­ delement 3 gestellten Stabilitätsanforderung erforderlich ist. Da das Wandelement 3 jedoch so aufgebaut ist, daß seine Dichte kleiner als die Dichte von Stahl ist (beispielsweise besteht das Wandelement 3 aus Aluminium), kann das Wandele­ ment 3 trotz seiner größeren Wandstärke leichter sein als ein entsprechendes, an die Stabilitätsanforderungen angepaßtes Wandelement aus Stahlblech. Aufgrund der erhöhten Biegestei­ figkeit B kann der vom Wandelement 4 aus Stahl in das Leicht­ bauwandelement 3 eingeleitete Körperschall dieses weniger stark zu Schwingungen anregen, so daß sich bei dem im Fahr­ zeuginnenraum 5 meßbaren Schallpegel der Körperschallanteil reduziert.

An einem von der Körperschallquelle abgewandten Ende schließt an das Leichtbauwandelement 3 das Wandelement 2 an, das wie­ der in herkömmlicher Weise aus Stahlblech hergestellt sein kann. Ebenso ist es möglich, daß sich das erfindungsgemäß ausgebildete Wandelement 3 bis in den Bereich einer vorderen Stirnwand der Fahrgastzelle hineinerstreckt, die den Fahrzeu­ ginnenraum 5 von einem Motorraum abtrennt. Anstelle eines Ma­ terialwechsels zwischen dem Wandelement 3 und dem Wandelement 2 kann ebenso lediglich die Biegesteifigkeit B bzw. die Mate­ rialstärke im Bereich des Wandelementes 2 soweit reduziert sein, daß die an das Wandelement 2 gestellten Stabilitätsan­ forderungen erfüllt sind. Auf diese Weise wird für die Fahr­ gastzelle eine Aufbau erreicht, der lediglich in Bereichen der Körperschalleinleitung diesbezüglich optimierte Wandele­ mente 3 aufweist, während in den übrigen Bereichen, in denen eine Isolierung gegenüber Luftschall von größerer Bedeutung ist, die Wandelemente in herkömmlicher Weise ausgebildet wer­ den können.

Die Wandelemente 2 und 4 bestehen aus Stahlblech und sind hier in herkömmlicher Weise nur hinsichtlich der an sie ge­ stellten Stabilitätsanforderungen dimensioniert. Ein Wandele­ ment aus Stahlblech, das statt dem erfindungsgemäßen Leicht­ bauwandelement 3 am Fahrzeugboden anbringbar ist, hätte daher dieselbe Dicke wie die Wandelemente 2 und 4. In Fig. 1 ist die Wandstärke des Leichtbauwandelemenes 3 übertrieben groß dargestellt, um die Unterschiede zwischen den herkömmlichen Wandelementen 2 und 4 und dem Leuchtbauwandelement 3 besser herauszustellen.

Andere Wandelemente, die ebenfalls den Fahrzeuginnenraum 5 begrenzen und sich in besonderer Weise für die erfindungsge­ mäße Ausgestaltung eignen, sind beispielsweise eine Querträ­ gerwand 9 im Fußraum des Fondbereiches, die eine Sitzschale 10 zum Fahrzeuginnenraum 5 hin am Fahrzeugboden 1 abstützt, sowie eine hintere Stirnwand 11, die den Fahrzeuginnenraum 5 von einem nicht dargestellten Kofferraum trennt.

Claims (6)

1. Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit Wandelementen (2, 3, 4, 9, 11), die ei­ nen zur Aufnahme von Fahrgästen dienenden Fahrzeuginnenraum (5) begrenzen, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der Wandelemente (3) eine derartige Leichtbaustruktur und/oder aus einem derartigen Leichtbauma­ terial besteht, daß die Dichte des Wandelementes (3) kleiner als die Dichte von Stahl ist, und
daß dieses Wandelement (3) derart dimensioniert ist, daß es zum einen eine größere Biegesteifigkeit (B) und zum anderen ein kleineres Gewicht als ein stattdessen anbringbares Wande­ lement aus Stahlblech aufweist, das eine für die Erfüllung üblicher Stabilitätsanforderungen erforderliche Biegesteifig­ keit (B) besitzt.

2. Fahrgastzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Wandelement (3) in einem Bereich der Fahrgastzelle angeordnet ist, in dem eine Kopplung der Fahrgastzelle mit einer Körperschallquelle des Fahrzeuges vorliegt.

3. Fahrgastzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Wandelement (3) in einem der Antriebsachse des Fahrzeuges zugewandten Bereich der Fahrgastzelle angeordnet ist.

4. Fahrgastzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Wandelement (3) als Fahrzeugboden (1) oder als der Antriebsachse des Fahrzeuges zugewandter Teilbereich des Fahrbodens (1) ausgebildet ist.

5. Fahrgastzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Wandelement (3) aus Leichtmetall, zum Beispiel Aluminium, oder aus Leichtmetallegierung, zum Beispiel Alumi­ niumlegierung, oder aus einem faserverstärkten Kunststoff (FVK), z. B. einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) oder einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), oder aus einem FVK-, GFK- oder CFK-Laminat gebildet ist.

6. Fahrgastzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Wandelement (3) eine Sandwich-Konstruktion auf­ weist.