Handbuch Fahrzeugakustik

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Automobile sind wie kaum ein anderes Wirtschaftsgut sowohl durch rationale als auch durch emotionale Aspekte gekennzeichnet. Rational sind Pkw Transport- und Fortbewegungsmittel, welche für das Funktionieren moderner Gesellschaften unverzichtbar sind. Emotional sind sie gleichzeitig als Status- und Lifestyleprodukte Projektionsfläche für das Lebensgefühl vieler Menschen. „Das Auto ist die sichtbar gemachte Seele des Mannes” schreibt z.B. der deutsche Philosoph und Aphoristiker Dr. Manfred Hinrich (*1926). Dementsprechend sind sowohl ökonomische wie auch soziale Trends von erheblichem Einfluss auf die zukünftigen Entwicklungen im Automobilbau. Da sich der Zeitraum von der ersten Konzeptidee für ein neues Fahrzeug bis zu dessen Produktionsauslauf weit über ein Jahrzehnt erstreckt, müssen Automobilhersteller die gesellschaftlichen Megatrends antizipieren, wenn sie ein erfolgreiches Produktangebot machen wollen, das den zukünftigen Bedürfnissen der Kunden auch gerecht wird.

Peter Zeller

2. Methodische Grundlagen

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3. Elementare Schwingungssysteme

Zusammenfassung

Mechanische Schwingungen treten in der Fahrzeugtechnik in vielfältiger Weise auf. In der weit überwiegenden Anzahl handelt es sich dabei um unerwünschte Störungen, die es zu minimieren gilt. In bestimmten Fällen sind Schwingungsphänomene aber auch geeignet, den Fahrzeugcharakter zu unterstreichen. So wäre es z.B. nicht zielführend, alle fahrbahnerregten Schwingungen durch das Fahrwerk vollständig auszufiltern, da damit auch der gewünschte Fahrbahnkontakt verloren ginge.

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4. Schwingungsminderung

Zusammenfassung

Ist das vorliegende Niveau der Schwingungen aus Komfortgründen nicht tolerabel, so müssen Maßnahmen zur Minderung ergriffen werden. Diese können in Abhängigkeit vom notwendigen Energiebedarf in passive, semi-aktive und aktive Maßnahmen unterteilt werden. Passive Maßnahmen beeinflussen das Übertragungsverhalten der Transferpfade durch Variation von Bauteilparametern. Sie kommen somit ohne zusätzliche Energie aus. Semi-aktive Maßnahmen beeinflussen gleichermaßen die Übertragungsfunktionen der Transferpfade. Um die Parameter der beteiligten Bauelemente jedoch abhängig vom Betriebszustand einstellen zu können, werden diese als aktiv steuerbare oder regelbare Elemente ausgeführt, was die begrenzte Zufuhr von Hilfsenergie voraussetzt. Bei den voll-aktiven Maßnahmen erfolgt die Schwingungsbeeinflussung nicht über die Variation der Parameter der Transferpfade, sondern über die Aufprägung von zusätzlichen Kompensationskräften. Die dazu erforderlichen Aktoren benötigen kontinuierlich und in erheblichem Umfang Hilfsenergie.

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5. Schwingungsphänomene im Kraftfahrzeug

Zusammenfassung

Der vom Fahrzeuginsassen subjektiv empfundene Fahrkomfort eines Automobils setzt sich aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Sinneseindrücken zusammen. Dabei spielen neben den Handlingeigenschaften und den Schallimmissionen insbesondere die Schwingungseigenschaften des Fahrzeugs eine erhebliche Rolle. Die Komforteigenschaften eines Fahrzeugs stellen nicht nur ein wichtiges subjektives Beurteilungskriterium für potentielle Käufer dar. Darüber hinaus ist der Fahrkomfort auch objektiv direkt mit der Fahrsicherheit verkoppelt, da Diskomfort bei längeren Autofahrten zu Ermüdung und Konzentrationseinschränkungen führen kann und damit zu erhöhter Unfallgefahr beiträgt. Unzureichender Schwingungskomfort kann außerdem bei entsprechend großen Schwingungsamplituden und langzeitlicher Einwirkung auch zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen im Rückenbereich führen. Gefährdet sind insbesondere die Fahrer von Lastkraftwagen, Bussen und schweren Off-Road- Fahrzeugen, während bei den in Personenkraftwagen normalerweise vorherrschenden Schwingungspegeln im Allgemeinen keine direkten gesundheitlichen Auswirkungen zu erwarten sind.

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6. Luftschall

Zusammenfassung

Flüssigkeiten und Gase können keine Scherspannungen aufnehmen. Daher breiten sich in diesen Medien nur Longitudinalwellen aus.

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7. Körperschall

Zusammenfassung

Körperschall sind Schwingungen, die sich in elastischen Festkörpern ausbreiten. Der relevante Frequenzbereich geht weit über den taktil wahrnehmbaren Bereich der Strukturschwingungen hinaus. Im Kraftfahrzeug wird Körperschall immer dann zum Problem, wenn durch diesen fühlbare Schwingungen (Kapitel 5) oder sekundärer Luftschall (Kapitel 7.2) im hörbaren Frequenzbereich angeregt wird. Im Gegensatz zu Gasen und Flüssigkeiten, in denen sich Schwingungen nur in Form von Longitudinalwellen (Druckwellen) ausbreiten können, treten aufgrund der Tatsache, dass feste Körper auch Schubkräfte aufnehmen können, weiterer Wellenarten auf. Deren Eigenschaften sind auch von der Geometrie des betrachteten Körpers abhängig. In plattenartigen Strukturen, deren Dicke klein ist gegen die Wellenlänge, sind Biegewellen für die Abstrahlung von sekundärem Luftschall die wichtigste Wellenart.

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8. Psychoakustik

Zusammenfassung

Die Psychoakustik untersucht die Zusammenhänge zwischen den auf das Gehör des Menschen einwirkenden akustischen Reizen und den daraus resultierenden Empfindungen. Das Problem liegt in der Tatsache, dass die akustischen Reize eindeutig durch objektive physikalische Größen wie Frequenz, Schalldruck, usw. zu definieren sind, während die dadurch hervorgerufenen Empfindungen nur durch mehr oder weniger subjektive Beschreibungen von Versuchspersonen zugänglich sind. Abhängig von der Hörerfahrung ist die akustische Wahrnehmung unterschiedlich differenziert. Deshalb muss bei Probandenversuchen klar zwischen dem Urteil akustischer Experten und Laien unterschieden werden. Während bei der Bearbeitung akustischer Probleme vorrangig das Expertenurteil interessant ist, sollten bei Probandenuntersuchungen zur akustischen Zielfindung immer auch akustische Laien einbezogen werden, um zu realistischen Anforderungen zu gelangen.

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9. Fahrgeräusch

Zusammenfassung

Unter dem Begriff Fahrgeräusch werden nachstehend alle Geräusche im Fahrzeuginnenraum subsumiert, welche direkt mit der Fortbewegung des Fahrzeugs korreliert sind. Hauptgeräuschquellen des Fahrgeräusches sind das Antriebsgeräusch sowie Wind- und Rollgeräusche (Bild 9-1). Das Fahrgeräusch im Fahrzeug- Innenraum setzt sich sowohl aus Anteilen zusammen, die als direkter Luftschall (LS) emittiert werden, als auch aus solchen, die durch Körperschall (KS) übertragen und erst von der Karosserie als sekundärer Luftschall in den Fahrzeuginnenraum abgestrahlt werden. Im Gegensatz dazu spielen für das Außengeräusch in der Vorbeifahrt nach Kapitel 14.2 die Körperschallpfade in den Fahrzeuginnenraum keine Rolle.

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10. Motorgeräusch

Zusammenfassung

Die Antriebseinheit, bestehend aus den zumeist aneinander gekoppelten Aggregaten Verbrennungsmotor und Getriebe, sowie die Ladungswechselkomponenten Ansaug- und Abgasanlage, bildet die vibroakustische Hauptanregungsquelle in einem Fahrzeug. Insofern ist die Akustikoptimierung des Antriebs von größter Bedeutung. Werden bei der Entwicklung wesentliche Akustikmerkmale vernachlässigt, so kann beim Gesamtfahrzeug in der Regel kein zufriedenstellendes Ergebnis mehr erreicht werden. Die Akustikauslegung des Antriebs erweist sich als zunehmend anspruchsvoll, da der Trend zu immer leichteren und komplexeren Aggregaten oft im Gegensatz zu den Akustikanforderungen steht. Leichtbau-Kurbelgehäuse aus Aluminium bzw. Magnesium sowie vollvariable Ventiltriebe und Hochdruck-Direkteinspritzung seien hier beispielhaft genannt. Nur die optimale Gestaltung des Motor-Getriebe-Verbundes zur Minimierung der vibroakustischen Emissionen, verbunden mit der gezielten Entkopplung aller relevanten Luft- und Körperschallpfade bei der Integration des Antriebs in das Fahrzeug, machen gute akustische Eigenschaften möglich.

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11. Ladungswechselgeräusch

Zusammenfassung

Das Ladungswechselgeräusch umfasst die vom Ansaug- und Abgassystem abgestrahlten Geräuschanteile. Sie können unterteilt werden in Geräuschkomponenten, die durch die Pulsation der Strömung in Folge des periodischen Arbeitsprozesses verursacht werden und in das gleichförmige Strömungsrauschen aufgrund der kontinuierlichen turbulenten Durchströmung der Luft und Gas führenden Bauteile. Das Strömungsgeräusch ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und hoher Last von Bedeutung, da hier ein entsprechend großer Volumendurchsatz hohe Anregungen verursacht. Bei zunehmenden Drehzahlen dominieren dann immer mehr die mechanischen Geräusche. Das Pulsationsgeräusch wird abgasseitig in erster Linie durch die Einfügedämmung des Schalldämpfers und damit durch das Schalldämpfervolumen beeinflusst.

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12. Reifen-Fahrbahngeräusch

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13. Stör- und Betätigungsgeräusche

Zusammenfassung

Da der durch Fahrgeräusche verursachte Geräuschpegel im Innenraum von Kraftfahrzeugen aufgrund der anhaltenden Optimierung von Antriebs-, Roll- und Windgeräuschen in den letzten Jahren immer geringer wurde, treten heute störende Nebengeräusche verstärkt in Erscheinung (Bild 13-1). Wie bereits im Namen verankert, sind grundsätzlich alle hörbaren Geräusche die Störpotential besitzen, dieser Kategorie zuzuordnen. Zudem zeigt sich das Phänomen der Fokussierung und Sensibilisierung. Wird ein störendes Geräusch einmal bewusst wahrgenommen, so bleibt es im Vordergrund der Aufmerksamkeit und wirkt dadurch verstärkt belästigend. Die subjektiv empfundene Lästigkeit kann jedoch variieren. Kriterien dafür sind die Auftretenshäufigkeit, die Intensität, die Lokalisierbarkeit, die persönliche Assoziation und der Geräuschcharakter. Begriffe, die den Geräuschcharakter beschreiben, sind meist umgangssprachlicher und lautmalerischer Natur (Tabelle 13-1).

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14. Außengeräusch

Zusammenfassung

Das Fahrzeugaußengeräusch ist diejenige Fahrzeugeigenschaft, welche nicht nur für den Besitzer des Fahrzeugs selbst, sondern gleichermaßen für Passanten und Anwohner von Bedeutung ist. Die Palette der Geräuschphänomene reicht dabei vom Röhren eines abfahrenden Sportwagens, welche den Fahrzeugcharakter betonen soll, über die Belästigung, welche ein nagelndes Dieselfahrzeug im Stand bei Passanten hervorrufen kann, bis zu Aspekten der Verkehrssicherheit, welche mit der ausreichenden akustischen Wahrnehmbarkeit eines Fahrzeugs im Stadtverkehr verknüpft sind. Aufgrund seines akustischen Störpotentials ist das Außengeräusch auch die einzige vibroakustische Eigenschaft, für welche der Gesetzgeber Grenzwerte vorschreibt.

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15. Berechnung und Simulation

Zusammenfassung

Nur für sehr einfache Systeme kann das interessierende Übertragungsverhalten unmittelbar mathematisch- analytisch formuliert und berechnet werden. Um komplexe Systeme zu behandeln, sind vereinfachte Modelle des Realsystems erforderlich, die dennoch in vielen Fällen nur im Computer effizient analysiert werden können.

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16. Messverfahren

Zusammenfassung

Das räumliche Hören des menschlichen Hörorgans umfasst das Richtungs- und das Entfernungshören sowie die Fähigkeit einzelne Schallquellen zu separieren. Bei seitlichem Schalleinfall unterscheiden sich die Ohrsignale. Die wesentlichen interauralen Merkmale sind die Pegeldifferenzen IDL (Interaural Level Difference) und die Laufzeitdifferenzen IDT (Interaural Time Difference). In der Horizontalebene lokalisiert das Gehör die Schallquelle auf der Basis von ITDs und ILDs. Die Lokalisationsschärfe liegt bei unbekannten Signalen bei rund 17 Grad, bei bekannten Signalen um 9 Grad. Diese Werte gelten für den Blick nach vorne. Je weiter ein Signal aus der Vorwärtsrichtung austritt, desto schlechter wird die Lokalisationsgenauigkeit.

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17. Vibroakustische Messtechnik

Zusammenfassung

Vibroakustische Messsysteme werden im Automobilversuch nahezu während des gesamten Entwicklungsprozesses eingesetzt. Da kaum ein Bauteil des Fahrzeugs ohne Bedeutung für das vibroakustische Verhalten ist, betreffen die messtechnischen Untersuchungen im Prinzip alle Komponenten des Fahrzeugs, von der Karosserie über den Motor und das Fahrwerk bis zum Interieur.

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18. Vibroakustische Prüftechnik

Zusammenfassung

Für die experimentelle Instationärabstimmung der wesentlichen Zielfunktionen Fahrbarkeit, Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen hat sich seit geraumer Zeit der dynamische Motorprüfstand bewährt []. Mit diesem Werkzeug können praktisch alle längsdynamisch relevanten Betriebszustände eines Fahrzeugs bereits auf dem Motorprüfstand simuliert werden, ohne Fahrversuche mit dem realen Fahrzeug durchführen zu müssen. Die grundlegende Idee bei diesem Prüfstand besteht in der Kopplung des realen Verbrennungsmotors mit SW-Modellen des Restfahrzeugs einschließlich des Triebstranges und des Fahres zu einem hybriden Gesamtsystem, wie in Bild 18-1 angedeutet.

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19. Anlagen

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