Handbuch Fahrzeugakustik: Grundlagen, Auslegung, Berechnung, Versuch

561 Pages·2018·30.151 MB·German

by  Peter Zeller (eds.)

ATZ/MTZ-Fachbuch
Peter Zeller Hrsg.
Handbuch
Fahrzeugakustik
Grundlagen, Auslegung, Berechnung, Versuch
3. Auflage
ATZ/MTZ-Fachbuch
DiekomplexeTechnikheutigerKraftfahrzeugeundAntriebssträngemachteinenimmer
größer werdenden Fundusan Informationen notwendig, um die Funktion und die Ar-
beitsweise von Komponenten oder Systemen zu verstehen.Den raschen und sicheren
ZugriffaufdieseInformationenbietetdieReiheATZ/MTZ-Fachbuch,welchediezumVer-
ständniserforderlichenGrundlagen,DatenundErklärungenanschaulich,systematisch,
anwendungsorientiertundaktuellzusammenstellt.
DieReihewendetsichanIngenieurederKraftfahrzeugentwicklungundAntriebstechnik
sowieStudierende,dieNachschlagebedarfhabenundimZusammenhangFragestellun-
gen ihres Arbeitsfeldes verstehen müssen und an Professoren und Dozenten an Uni-
versitätenundHochschulenmitSchwerpunktFahrzeug-undAntriebstechnik.Sieliefert
gleichzeitigdastheoretischeRüstzeugfürdasVerständniswieauchdieAnwendungen,
wiesiefürGutachter,ForscherundEntwicklungsingenieureinderAutomobil-undZulie-
ferindustriesowiebeiDienstleisternbenötigtwerden.
PeterZeller
(Hrsg.)
Handbuch
Fahrzeugakustik
Grundlagen,Auslegung,Berechnung,Versuch
3.,aktualisierteAuflage
Herausgeber
PeterZeller
München,Deutschland
ATZ/MTZ-Fachbuch
ISBN978-3-658-18519-0 ISBN978-3-658-18520-6(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-18520-6
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V
Vorwort
DieHandbücherinderReiheKraftfahrzeugtechnikvonSpringerViewegstellenmittlerweile
eineumfassendeundanerkannteBibliothekdesfahrzeugtechnischenWissensdar.Gernebin
ichdeshalbderBittedesVerlagesgefolgt,einenochverbliebeneLückeinnerhalbderFach-
buchreihemitdemvorliegendenHandbuchKraftfahrzeugakustikzuschließen.DieAufgabe
erschien mir umso reizvoller, als mir durch meine langjährige Tätigkeit in der Fahrzeug-
entwicklungdieLückezwischenderfahrzeugtechnischenLiteratur,welchedieAkustikund
SchwingungstechniknuramRandebehandeltundderakustischenLiteratur,welchewieder-
umdieBesonderheitenderFahrzeugtechniknichtweitervertieft,immerwiederaufgefallen
ist.MitdemvorliegendenBuchwirddeshalbsowohldenangehendenIngenieuren,welche
sichnähermitdenakustischenundschwingungstechnischenFragestellungenrundumsAu-
tomobilbeschäftigenwollen,alsauchdenbereitsinderFahrzeugindustrietätigenAkustikern
undSchwingungstechnikerneinKompendiumgeliefert,welchesdieVibroakustikdesAuto-
mobilszumzentralenGegenstandhat.
Beider Entwicklung eines Automobils tritt das Fachgebiet Akustik und Schwingungs-
technik in unterschiedlichsten Ausprägungen in Erscheinung. Das Spektrum reicht von
derBeseitigunglästigerStörgeräuschebiszurMitgestaltung desFahrzeugcharaktersdurch
einenattraktiven Motorsound.TypischistdabeiderSachverhalt,dassnahezualleKompo-
nenten und Systeme des Fahrzeugs für die Vibroakustik relevant sein können, diese aber
nur in wenigen Fällen die Primärfunktion des Bauteils darstellt. Gleichzeitig machen der
wettbewerbsbedingt steigende Kostendruck sowie der durch die Klimaerwärmung (CO -
2
Emissionen)erneutforcierteFahrzeugleichtbaudiegleichzeitigeErfüllungallerfunktionalen
Anforderungen immer schwieriger. Insofern gehört zur erfolgreichen Arbeit des Akustik-
ingenieurs nicht nur die Fachkompetenzfür innovative Lösungsansätze, sondern auchdie
Fähigkeit, Wirkzusammenhänge aufzeigen und damit dasnotwendige Verständnis für die
BelangederVibroakustikweckenzukönnen.BeiderThemenauswahlfürdiesesBuchwur-
de auch aus diesem Grund ein besonderes Augenmerk auf die Verbindung zwischen den
theoretischenGrundlagenderAkustik undSchwingungstechnik unddenvielfältigen Pro-
blemstellungen im Rahmen der Automobilentwicklung gelegt.Da nachmeinerErfahrung
im Spannungsfeld zwischendemintensiven Einsatz numerischerRechenverfahren aufder
einenSeiteundderreinempirischangelegtenVersuchsarbeitaufderanderenSeitediePhy-
sikhinterdenbearbeitetenFragestellungenmanchmalindenHintergrundrückt,solltenim
vorliegendenBuchdiewesentlichenphysikalischenWirkzusammenhängeherausgestelltwer-
den.
UmBreiteundTiefedesFachgebietesangemessenabzudecken,wardieMitarbeitkompe-
tenterExpertenausIndustrieundHochschuleandiesemBuchessentiell.NebendenAutoren,
welcheeineneigenständigenTeilzuderPublikationbeigesteuerthabenundauchnamentlich
fürdieseKapitelzeichnen,möchteichandieserStellespeziellauchdiejenigenMitarbeiterder
BMWAGhervorheben,welchezumGelingendesWerkesdurchDiskussionundSachbeiträge
ebenfallsunschätzbareHilfegeleistethaben.InsbesonderesindhierzunennenDr.Arnaud
Bocquillet und Albert Kaltenhauser (Passivakustik), Dr. Fabian Evert (ANC), Dr. Herbert
Finsterhölzl(Außengeräusch),Dr.PeterKirchknopfundAndreasRaith(Schwingungstech-
nik),Dr.StefanSentpali(Mechatronik),RafaelStryczek(Akustikberechnung),FrankUllrich
(Aeroakustik),Dr.AlfredZeitler(Sounddesign).AllendiesenPersonensowieauchdenMit-
VI Vorwort
arbeiterndesVerlagesgiltmeinbesondererDankfürihreUnterstützungbeimEntstehendes
vorliegendenBuches.
ImRahmenderdrittenAuflagedesHandbucheswurdeeinbesonderesAugenmerkauf
die geänderte Außengeräuschgesetzgebung und die aktuelle Entwicklung bei den hybri-
den und rein elektrischen Antrieben gelegt. Weiterhin wurden zusätzliche akustische und
schwingungstechnischePhänomeneneuindasHandbuchaufgenommen.ZahlreicheKapi-
telwurdendarüberhinausüberarbeitetundvertieftdargestellt.DamitistderAnsprucheines
universellenKompendiumsderVibroakustikdesKraftfahrzeugsnochbessererfüllt.
München,imSeptember2017 PeterZeller
VII
Autorenverzeichnis
Dipl.-Ing.AndreasEnderich MahleFiltersystemeGmbH,Stuttgart,Deutschland
7Abschn.11.1
Prof.Dr.-Ing.HugoFastl TechnischeUniversitätMünchen,München,Deutschland
7Abschn.14.3
Dipl.-Ing.(FH)JosefHobelsberger Müller-BBMVibroAkustikSystemeGmbH,Planegg,Deutschland
7Kap.17
Dr.RolfJebasinski J.EberspächerGmbH&Co.KG,Wilsdruff,Deutschland
7Abschn.11.2
Dr.-Ing.StefanKerber TechnischeUniversitätMünchen(vormals),München,Deutschland
7Abschn.14.3
dr.ir.DennisdeKlerk Müller-BBMVibroAkustikSystemeB.V.,Hattem,Niederlande
7Abschn.15.7
Dr.-Ing.TobiasMoosmayr BMWGroup,München,Deutschland
7Abschn.13.2
Dr.-Ing.Ernst-UlrichSaemann ContinentalAG,Hannover,Deutschland
7Kap.12
Prof.Dr.-Ing.PeterZeller TechnischeUniversitätMünchen,München,Deutschland
7Kap.1–7Kap.10,7Abschn.13.1,
7Abschn.13.2,7Abschn.13.4,
7Abschn.14.1,7Abschn.14.2,
7Abschn.15.1–7Abschn.15.6
7Kap.16,7Kap.18,7Kap.19
IX
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung....................................................................... 1
PeterZeller
1.1 AutomobilundGesellschaft.......................................................... 2
1.2 TrendsinderAutomobilakustik...................................................... 4
Literatur ............................................................................. 6
2 MethodischeGrundlagen ...................................................... 7
PeterZeller
2.1 ProzessAkustikentwicklung ......................................................... 8
2.1.1 VibroakustischeFahrzeugeigenschaften................................................ 8
2.1.2 Zielfindung........................................................................... 8
2.1.3 SubjektiveBeurteilungvonFahrzeugeigenschaften..................................... 10
2.1.4 Geräuschmetrik....................................................................... 10
2.1.5 Funktionsorientierung................................................................. 14
2.2 VibroakustischeModelle............................................................. 15
2.2.1 Modellbildung........................................................................ 15
2.2.2 ElektromechanischeAnalogie.......................................................... 19
2.2.3 BeispielEinmassenschwinger.......................................................... 20
2.2.4 ElektroakustischeAnalogie............................................................ 23
2.3 VibroakustischeAnalyse ............................................................. 23
2.3.1 LineareAnalyseimFrequenzbereich,Vierpoltheorie .................................... 23
2.3.2 NichtlineareAnalyseimZeitbereich,Simulation ........................................ 26
Literatur ............................................................................. 27
3 ElementareSchwingungssysteme ............................................. 29
PeterZeller
3.1 FreieSchwingungen ................................................................. 31
3.1.1 Einmassenschwinger.................................................................. 31
3.1.2 UngefesselterZweimassenschwinger .................................................. 33
3.1.3 GekoppelteSchwingsysteme.......................................................... 34
3.2 ErzwungeneSchwingungen ......................................................... 36
3.2.1 Einmassenschwinger.................................................................. 36
3.2.2 Zweimassenschwinger ................................................................ 38
3.3 SelbsterregteSchwingungen ........................................................ 41
3.3.1 Ruckgleiten........................................................................... 41
3.3.2 Ratterschwingungen.................................................................. 44
3.4 ParametrischeSchwingungen........................................................ 47
Literatur ............................................................................. 47
4 Schwingungsminderung ....................................................... 49
PeterZeller
4.1 Schwingungsisolation ............................................................... 51
4.1.1 EinfachElastischeLagerung ........................................................... 51
4.1.2 DoppeltElastischeLagerung .......................................................... 54
X Inhaltsverzeichnis
4.2 Schwingungsdämpfung ............................................................. 56
4.2.1 RheologischeMaterialmodelle......................................................... 56
4.2.2 MakroskopischeReibmodelle.......................................................... 59
4.2.3 Reibungsdämpfung................................................................... 60
4.2.4 ElastischeDämpferanbindung......................................................... 61
4.2.5 Skyhook-Dämpfung................................................................... 62
4.3 BauteilezurSchwingungsisolation................................................... 64
4.3.1 ElastischeFederelemente.............................................................. 64
4.3.2 ViskoelastischeLagerelemente......................................................... 66
4.3.3 Schwingungsdämpfer................................................................. 70
4.4 PassiveSchwingungskompensation ................................................. 73
4.4.1 Schwingungstilger.................................................................... 73
4.4.2 Fliehkraftpendel ...................................................................... 76
4.5 AktiveSchwingungskompensation .................................................. 78
4.5.1 Funktionsprinzip...................................................................... 78
4.5.2 LMS-Algorithmus ..................................................................... 81
4.5.3 AktiveLagerung ...................................................................... 82
4.5.4 Trägheitsmassenaktor................................................................. 83
4.6 SubjektivesSchwingungsempfinden................................................. 85
Literatur ............................................................................. 88
5 SchwingungsphänomeneimKraftfahrzeug................................... 89
PeterZeller
5.1 FahrbahnerregteSchwingungen..................................................... 93
5.1.1 Vertikaldynamik....................................................................... 94
5.1.2 SprungförmigeUnebenheitsanregung,Stößigkeit...................................... 98
5.1.3 HarmonischeUnebenheitsanregung................................................... 104
5.1.4 StochastischeUnebenheitsanregungrealerFahrbahnen ................................ 107
5.1.5 FahrverhaltenbeiUnebenheitsanregung............................................... 109
5.1.6 KonfliktFahrkomfortvs.Fahrsicherheit................................................. 111
5.1.7 AktiveFahrwerke...................................................................... 114
5.1.8 Sitzschwingungen .................................................................... 117
5.1.9 Nicken,Einspurmodell ................................................................ 120
5.1.10 Wanken,Zweispurmodell.............................................................. 122
5.1.11 Karosseriezittern...................................................................... 123
5.1.12 Motorstuckern........................................................................ 131
5.2 RaderregteSchwingungen........................................................... 134
5.2.1 Ungleichförmigkeitsanregung......................................................... 134
5.2.2 Lenkradschwingungen................................................................ 136
5.2.3 Karosserieschwingungen.............................................................. 137
5.2.4 Bremsenrubbeln...................................................................... 137
5.2.5 Anfahr-undBremsstempeln........................................................... 138
5.3 MotorerregteSchwingungen ........................................................ 139
5.3.1 Leerlaufschwingungen................................................................ 139
5.3.2 Start-Stopp-Schwingungen............................................................ 140
5.3.3 Lastwechselschwingungen ............................................................ 144