Verwendung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung für ein Bauteil einer schallemittierenden Maschine

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung für ein Bauteil einer schallemittierenden Maschine, welches Bauteil im oder außerhalb des schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses der Maschine angeordnet ist

[0002] Die hohe Beschleunigung mechanisch bewegter Teile verursacht in einem breiten Frequenzspektrum unerwünschte Schwingungen. Insbesondere ist dies bei Maschinen mit rotierenden Teilen und hierbei ganz besonders bei Brennkraftmaschinen festzustellen. Um derartige Geräusche zumindest zu verringern, werden unterschiedliche Lösungsansätze vorgeschlagen. So werden bspw. insbesondere im Fahrzeugbau vielfach passive Maßnahmen wie Dämmatten, Schwingungstilger usw. verwendet. Weiterhin werden auch aktive Maßnahmen wie bspw. eine Beeinflussung des Luftschalls in einem Fahrgastraum (activ-noise-control) mittels akustischer Interferenzen zur Verringerung eines wahrgenommenen Störgeräusches eingesetzt.

[0003] Aus der nicht vorveröffentlichten DE-P 198 26 175 ist eine weitere Maßnahme bekannt, nach der es sich als günstig erweist, in eine Übertragungsstrecke des Schalls - also dem Kraftfluß zwischen einem erregenden Bauteil und einem Bauteil, das diese Erregung an ein den Schall insbesondere als Störgeräusch abstrahlendes Element weiterleitet - eine Einrichtung einzubringen, mittels der die Stärke bzw. die Intensität des Kraftflusses zwischen dem Bauteil, von dem der Kraftfluß kommt und dem Bauteil, an das der Kraftfluß weitergeleitet wird, zumindest verringert wird.

[0004] Die genannten Maßnahmen weisen u.a. einen hohen technologischen und, materialseitigen und zum Teil auch finanziellen Aufwand auf. Desweiteren wird durch diese Maßnahme auch das Gesamtgewicht der Maschine erhöht, was insbesondere im Automobilbau unerwünscht ist.

[0005] Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine preiswerte und einfache Möglichkeit zur Beeinflussung von Geräuschen anzugeben, die von einer Maschine abgestrahlt werden.

[0006] Die Aufgabe wird bei Bauteilen, die innerhalb des schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses angeordnet sind, erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Werkstoffes gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Bei Bauteilen, die außerhalb des schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses angeordnet sind und als Membran für den Schall wirken, wird die Aufgabe durch die Verwendung eines Werkstoffes gemäß dem Anspruch 2 bzw. 3 gelöst, wobei derartige Bauteile nur bereichsweise aus diesen Werkstoffen gefertigt sein müssen.

[0007] Der aus der nicht vorveröffentlichten DE-P 197 41 019 bekannte metallische Werkstoff weist trotz seiner für Metalle typisch hohen Zugfestigkeit und ebenso hohen Bruchdehnung eine für Metalle ungewöhnlich hohe Materialdämpfung auf. Durch die Materialeigenschaften des aus der DE-P 197 41 019 bekannten Werkstoffes wird die Intensität des endseitig abgestrahlten Schalls bzw. der Kraftfluß der Körperschallleitung zumindest verringert. Mit der Verringerung des Kraftflusses ist eine ebensolche Verringerung des endseitig abgestrahlten Schalls und damit des Störgeräusches verbunden. Die Verringerung des Kraftflusses basiert darauf, daß zunächst der Kraftfluß verzögert wird, weshalb bei einer harmonischer Anregung der resultierende Kraftfluß verringert wird.

[0008] Der für die außerhalb des schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses angeordneten Bauteile vorgesehene Werkstoff weist schon bei geringen Schwingungsamplituten hochdämpfende Eigenschaften auf. Insbesondere beeinflußt bei einem Werkstoff gemäß Anspruch 2 die zumindest teilweise martensitisch vorliegende Zweitphase die mechanischen Kennwerte des Basismaterials allenfalls in vernachlässigbarer Weise, weshalb dieser Werkstoff auch, wie in Anspruch 1 genannt, gleichzeitig als Strukturwerkstoff verwendet werden kann.

[0009] Durch diese beiden Eigenschaften dieses 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.

[0010] Vorzugsweise handelt es sich bei der Zweitphase um eine Legierung. Als günstig hat sich eine Ni-Ti Legierung erwiesen, deren Legierungsbestandteile zwischen 48 und 52 Atom-% gemischt sind. Von besonderem Vorteil ist diese Legierung, wenn die Legierung 49.9 Atom-% Ni und 50.1 Atom-% Ti aufweist.

[0011] Die Materialdämpfung wird erhöht, wenn die Zweitphase bis zu 25 Atom-% Zusätze aufweist. Die Zusätze bewirken eine Stabilisierung der martensitischen Phase und der Anpassung an die jeweiligen Betriebsbedingungen der jeweiligen Bauteile.

[0012] 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 Stabilisierung der martensitischen Phase kann durch eine Vorbehandlung der Zweitphase erfolgen, indem z.B. eine Deformation der Zweitphase oder eine Homogenisierung der Legierungsbestandteile durchgeführt wird.

[0013] Die Zweitphase kann als Partikel und/oder als Drähte und/oder als mineralische und/oder Kohlefasern, 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.

[0014] 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 gefertigten Bauteils - bevorzugt zwischen 5 und 60 Vol.-% variiert wird.

[0015] Des weiteren ist es zweckmäßig die Materialien der Zweitphase und des Basismaterials derart aufeinander abzustimmen, daß die beiden Materialien an ihren Grenzflächen zumindest bereichsweise eine Verbindung ausbilden.

[0016] Durch die metallische Zweitphase mit zumindest teilweise martensitischem Gefüge innerhalb des Basismaterials gelingt es, die Anforderungen, die von seiten der Dämpfung an den Werkstoff gestellt werden, zumindest weitgehend, insbesondere allein durch die Zweitphase zu erfüllen.

[0017] Aufgrund der geringen Dichte bzw. seines geringen Gewichtes wird als Basiswerkstoff ein Leichtmetall und/oder eine Leichtmetall-Legierung verwendet. Als besonders günstig hat sich hierbei die Al-Legierungen mit der Bezeichnung EN AW-6061 gemäß DIN EN 573 herausgestellt.

[0018] Des weiteren können auch Basismaterialien eingesetzt werden, die verschieden Gefüge aufweisen oder die als Verbundwerkstoffe mindestens eine weitere Drittphase zur Verstärkung besitzen. Hierdurch kann eine höhere Festigkeit realisiert werden, als sie mit dem vorangehend beschriebenen Material möglich ist.

[0019] Eine auf das Basismaterial abgestimmte thermomechanische Behandlung führt ebenfalls zu einer vorteilhaften Erhöhung der Festigkeit des Basismaterials.

[0020] Forderungen betreffend die Zugfestigkeit und der Bruchfestigkeit werden vor allem durch das Basismaterial erfüllt bzw. bestimmt. Insbesondere aus diesem Grund kann das Basismaterial zu jeder Anforderung, die an das betreffende Bauteil gestellt wird, als Strukturwerkstoff verwendet werden.

[0021] Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffes gemäß Anspruch 1 bzw.2, sowie der dazugehörigen Ansprüche kann der nicht vorveröffentlichten DE-P 197 41 019 entnommen werden.

[0022] In günstiger Weise kann der Werkstoff gemäß Anspruch 1 und zugehörigen Ansprüchen insbesondere auch für Bauteile verwendet werden, die nicht nur im Kraftfluß liegen, sondern gleichzeitig in der Art einer Membran für die Schallabstrahlung wirken. Dies kann bspw. bei einer Ölwanne der Fall sein.

[0023] Wie schon erwähnt, kann der bereits beschriebene Werkstoff außer für im Kraftfluß angeordnete Bauteile auch für Bauteile verwendet werden, die außerhalb des Kraftflusses angeordnet sind und insbesondere eine schallabstrahlende Eigenschaft aufweisen.

[0024] Weitere Werkstoffe, die erfindungsgemäß ebenso zur Herstellung für Bauteile verwendet werden können, die außerhalb eines schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses angeordnet sind und insbesondere eine schallabstrahlende Eigenschaft aufweisen, sind dem Anspruch 3 und zugeordneten Ansprüchen entnehmbar.

[0025] Bei den Werkstoffen gemäß Anspruch 3 und zugehörigen Ansprüchen handelt es sich insbesondere um Leichtmetall-Legierungen, die Mg als Grundwerkstoff aufweisen. Als besonderes günstig haben sich hierbei Mg-Si-Legierungen und/oder Mg-Zr-Legierungen und/oder Mg-Ni-Legierungen und/oder Mg-Mn-Legierungen erwiesen. Bei diesen erfindungsgemäß verwendeten Legierungen ist die Löslichkeit der Legierungselemente im Grundwerkstoff sehr gering. Insbesondere weist eine derartige Legierung an den Gitter- und Zwischengitterplätzen des Grundwerkstoffes maximal 1 %, bevorzugt maximal 0.5 % und besonders bevorzugt maximal 0.1 % ein anderes Element auf.

[0026] Die erwähnten Mg-Legierungen weisen allesamt einen Mindestanteil von Mg auf, der größer als 67 Atom-% ist. Der Anteil des zweiten Elements in der Legierung ist bei Mg-Si-Legierungen typischerweise 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.

[0027] Die Legierungselemente der Mg-Legierungen reagieren mit dem Mg und liegen als Ausscheidungen im Gefüge vor. Bei einer Mg-Si-Legierung wird bspw. Mg₂Si, und bei einer Mg-Ni-Legierung bspw. Mg₂Ni ausgeschieden.

[0028] Weitere mögliche Werkstoffe gemäß Anspruch 3 sind bspw. neben weiteren binären Mg-Legierungen wie Mg-N, Mg-Sb, Mg-Sr und Mg-Cu auch Kombinationen der Legierungselemente wie bspw. Mg-Mn-Si.

[0029] Des weiteren sind auch Al-Legierungen mit Legierungselementen geeignet, die sich kaum im Grundwerkstoff Al lösen.

[0030] 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.

	Rρ0,2	Rm	η
Mg - 0,6 Atom-% Si	52	93	0,09
Mg - 1,2 Atom-% Si	60	107	0,07
Mg - 0,2 Atom-% Zr	47	152	0,1
Mg - 0,4 Atom-% Mn	17	93	0.09
Mg - 0,6 Atom-% Mn		74	0,1
Mg - 7,1 Atom-% Ni			0,003
Mg - 2,5 Atom-% Ni			0,006

[0031] Trotz der gegenüber dem Werkstoff gemäß Anspruch 1 schlechteren Zugfestigkeit können die eben genannten Werkstoffe dennoch zur Herstellung Bauteilen verwendet werden, die außerhalb eines schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses einer Maschine angeordnet sind. Auch bei diesen Werkstoffen beruht die Verringerung der Intensität des abgestrahlten Schalls auf einer Eigendämpfung des verwendeten Werkstoffes.

[0032] Insgesamt können die Werkstoffe erfindungsgemäß insbesondere bei den nachgenannten Maschinen verwendet werden: Flugzeuge, Hubschrauber, Lokomotiven und/oder Waggons einer Eisenbahn, mit Kraftmaschinen betriebene Kraftfahrzeuge, vorzugsweise Pkw's oder Lkw's.

[0033] Bei der Verwendung der Erfindung bei Kraftfahrzeugen, vorzugsweise bei Pkw's oder Lkw's, wird der Werkstoff gemäß Anspruch 1 und zugehörigen Ansprüchen insbesondere zur Herstellung eines Pleuls und/oder eines ein Zylinder- und ein Kurbelgehäuse aufweisenden Motorblocks und/oder eines Zylinderkopfes und/oder eines Getriebe- und/oder eines Automatikgehäuses und/oder eines Kupplungsgehäuses und/oder eines Aggregateträgers und/oder eines Motorträgers und/oder einer Sitzschiene und/oder einer Sitzauflage, auf der Sitze aufliegen, und/oder eines Sitzrahmens und/oder eines Ausgleichsgetriebes, insbesondere eines Differentialgehäuses verwendet.

[0034] Bei der Verwendung eines Werkstoffes gemäß Anspruch 2 bzw. 3 und zugehörigen Ansprüchen für vorzugsweise Kraftfahrzeuge und hierbei insbesondere bei Pkw's oder Lkw's, wird der Werkstoff insbesondere zur Herstellung eines Steuergehäuses, einer Ventilhaube, einer Ölwanne, eines Saugrohrs bzw. -moduls, eines Lüfterblattes, eines Lenkrads, eines Mantelrohrs eines Lenkrads, eines Bedienelements wie einem Pedal und dgl., eines Verkleidungselements, wie einem Karosserieblechs usw., eines Ausgleichsgetriebes, insbesondere eines Differentialgehäuses, eines Mantelrohrs und/oder einer sonstigen Verkleidung einer Antriebswelle, und/oder einer Riemenscheibe verwendet.

Ansprüche

1. Verwendung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung und Zugfestigkeit, wobei der Werkstoff aus einem metallischen Basismaterial sowie einer metallischen Zweitphase mit zumindest teilweise martensitischem Gefüge besteht, wobei die Legierung jeweils zwischen 48 und 52 Atom-% Ni oder Ti, bevorzugt etwa 49,9 Atom-% Ni und etwa 50,1 Atom-% Ti aufweist und wobei das Basismaterial ein Leichtmetall und/oder eine Leichtmetall-Legierung ist, für ein Bauteil einer schallerzeugenden bzw. -emittierenden Maschine, welches Bauteil im schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftfluß der Maschine angeordnet ist.

2. Verwendung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung und Zugfestigkeit, wobei der Werkstoff aus einem metallischen Basismaterial sowie einer metallischen Zweitphase mit zumindest teilweisem martensitischen Gefüge besteht, wobei die Legierung jeweils zwischen 48 und 52 Atom-% Ni oder Ti, bevorzugt etwa 49,9 Atom-% Ni und etwa 50,1 Atom-% Ti aufweist und wobei das Basismaterial ein Leichtmetall und/oder eine Leichtmetall-Legierung ist, für ein Bauteil einer schallerzeugenden bzw. -emittierenden Maschine, welches Bauteil außerhalb des schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses der Maschine angeordnet ist.

3. Verwendung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung und Zugfestigkeit, wobei der Werkstoff eine Legierung ist, deren Legierungselemente eine sehr geringe Löslichkeit im Grundwerkstoff aufweisen, für ein Bauteil einer schallerzeugenden bzw. -emittierenden Maschine, welches Bauteil außerhalb des schallerzeugenden bzw. -leitenden Kraftflusses der Maschine angeordnet ist.

4. Verwendung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

5. Verwendung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff eine Leichtmetall-Legierung mit Aluminium als Grundwerkstoff ist, wobei ein zugehöriges Legierungselement eine sehr geringe Löslichkeit im Aluminium aufweist,

6. Verwendung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff faserverstärkt ist, insbesondere mit mineralischen Fasern und/oder Kohlefasern.

7. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zweitphase ist eine Legierung ist.

8. Verwendung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zweitphase bis zu 25 Atom-% Zusätze aufweist.

9. Verwendung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zusätze aus der nachfolgenden Gruppe von Elementen entnommen sind: Zirkon und/oder Hafnium und/oder Kupfer und/oder Niob und/oder Mangan und/oder Palladium und/oder Platin und/oder Eisen.

10. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zweitphase aus Partikeln und/oder aus Drähten und/oder aus Kurzfasern gebildet ist und/oder daß die Zweitphase lagenweise angeordnet ist.

11. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anteil der Zweitphase am Gesamtwerkstoff zwischen 5 und 60 Vol.-% beträgt.

12. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Basismaterial eine Al-Legierung, vorzugsweise die Al-Legierung EN AW-6061 gemäß DIN EN 573 ist.

13. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Basismaterial verschiedene Gefüge aufweist.

14. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Basismaterial ein Verbundwerkstoff mit mindestens einer Drittphase ist.

15. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zweitphase an zumindest einigen Grenzfläche zum Basismaterial hin Verbindungen mit diesem aufweist.

16. Verwendung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Art einer Membran für die Schallabstrahlung wirkt, insbesondere für eine Ölwanne.

17. Verwendung nach Anspruch 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Legierung maximal 1 %, bevorzugt maximal 0,5 % und besonders bevorzugt maximal 0,1 % aller Gitter- und/oder Zwischengitterplätze des Grundwerkstoffes durch ein anderes Element der Legierung ersetzt sind.

18. Verwendung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Maschine ein Flugzeug, ein Hubschrauber, eine Lokomotive und/oder ein Waggon einer Eisenbahn, oder ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Pkw oder ein Lkw ist.

19. Verwendung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bauteil ein Pleul, ein ein Zylinder- und ein Kurbelgehäuse aufweisender Motorblock, ein Zylinderkopf, ein Getriebe-und/oder Automatikgehäuse, ein Kupplungsgehäuse, ein Aggregateträger, ein Motorträger, eine Sitzschiene, eine Sitzauflage, auf der Sitze aufliegen, ein Sitzrahmen, ein Ausgleichsgetriebe, insbesondere ein Differentialgehäuse ist.

20. Verwendung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bauteil ein Steuergehäuse, eine Ventilhaube, eine Ölwanne, ein Saugrohr bzw. -modul, ein Lüfterblatt, ein Lenkrad, ein Mantelrohr eines Lenkrads, ein Bedienelement, wie ein Pedal oder dgl., ein Verkleidungselement, ein Ausgleichsgetriebe, insbesondere ein Differntialgehäuse, ein Mantelrohr und/oder eine sonstige Verkleidung einer Antriebswelle oder eine Riemenscheibe ist.