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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren einer Schwingung einer Fahrzeugkarosserie eines Elektrofahrzeugs mittels seines Elektromotors.
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Der Geräuschpegel im Fahrgastraum während der Fahrt stellt ein wichtiges Qualitätskriterien für ein Fahrzeug dar, und zwar sowohl für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor wie auch Elektromotor. Insbesondere bei Fahrzeugen der Oberklasse sind die Fahrgäste daran gewöhnt, dass sämtliche Außengeräusche, etwa andere vorbeifahrende Fahrzeuge, kaum bis stark gedämpft wahrgenommen werden. Bei der akustischen Abstimmung des Fahrzeugs wird auch großes Augenmerk darauf gelegt, dass die von dem Fahrzeug selbst bei seiner Fortbewegung erzeugten Geräusche, etwa in Form von Fahrtwind oder Motorgeräuschen, so wenig wie möglich in den Fahrgastraum vordringen.
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Ein Fahrgeräusch, welches ein fahrendes Fahrzeug dauernd begleitet, ist neben dem Fahrtwind dasjenige, welches durch Kontakt der Reifen mit der Fahrbahn entsteht. Durch Fahrbahnanregung, insbesondre durch Schlaglöcher, Bodenwellen und kleine Unebenheiten im Fahrbahnbelag, wird ein Fahrzeugreifen und die dazugehörige Achse zu Schwingungen angeregt, wodurch Kräfte in die Karosseriestruktur eingeleitet werden. Diese Kräfte führen zu einer Anregung der Karosserie und damit zu Schwingungen in der Karosserie, inklusive daran befestigten Bauteilen, wie der Heckklappe.
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Die in Schwingung versetzten Flächen der Karosserie regen dabei den im Innerraum befindlichen Luftraum an, was zu erhöhten Luftschallpegeln im Fahrgastraum führt. Bekannt ist dieses Phänomen beispielsweise als Abrolldröhnen, welches aus Sicht der Insassen ein eher unangenehmes Geräusch darstellt.
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Vor diesem Hintergrund kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, die Geräusche in einem Fahrgastraum eines Fahrzeugs zu reduzieren oder sogar im Optimalfall ganz zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens zum Reduzieren einer Schwingung einer Fahrzeugkarosserie eines Elektrofahrzeugs mittels seines Elektromotors gelöst und mittels eines Elektrofahrzeugs, in dem dieses Verfahren implementiert ist. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird der Elektromotor als Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs verwendet, um eine Kraft - je nach dem, an welchem Bauteil der Elektromotor gelagert ist - entweder in die Fahrzeugkarosserie oder in den Fahrschemel einzuleiten, welche der Kraft, die von der Fahrbahnanregung über den Reifen, die Achse, an welcher der Reifen gelagert ist, und den Fahrschemel in die Karosserie eingeleitet wird, entgegenwirkt. Anders ausgedrückt wird ein anliegendes Antriebsmoment des Elektromotors während der Fahrt derart verändert, dass mittels der Antriebsmomentänderung eine Kraft erzeugt wird, welche an Ihren Wirkpunkten der aus der Fahrbahnanregung stammenden Kraft entgegensetzt ausgerichtet ist. Das erforderliche Moment ist dabei so dimensioniert, dass dadurch der Krafteintrag in die Karosserie minimiert wird und folglich die Schwingung der Karosserie und damit letztendlich der Luftschall im Inneren des Fahrgastraums minimiert wird.
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Hierbei können grundlegend zwei unterschiedliche Szenarien unterschieden werden. In einem ersten Szenario ist der Elektromotor an der Fahrzeugkarosserie gelagert bzw. an dieser befestigt und der Fahrschemel wird von der Fahrbahn über die daran gelagerten Fahrzeugräder angeregt. Dadurch gerät der Fahrschemel in Schwingung, welche sich auf die Karosserie überträgt. Durch Ermitteln der Schwingung der Karosserie an den oder zumindest im Bereich der Krafteinleitungsstellen oder am Fahrschemel, kann der Einfluss des angeregten Fahrschemels auf die Fahrzeugkarosserie quantifiziert werden. Unter den Krafteinleitungsstellen sind hierbei Stellen gemeint, an denen der Fahrschemel über eine Lagerung Kräfte an die Fahrzeugkarosserie überträgt. Durch Erzeugung eines passenden kompensierenden Antriebsmoments, welches sich aus der Änderung des momentan vom Elektromotor erzeugten Antriebsmoments ergibt, kann eine Kraft erzeugt werden, welche gegenphasig zu der vom Fahrschemel in die Karosserie eingeleiteten Kraft ist. Dadurch wird die Schwingung der Karosserie und somit der davon im Fahrgastinnenraum erzeugte Luftschall minimiert.
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In einem zweiten Szenario ist der Elektromotor am Fahrschemel gelagert bzw. befestigt und dieser wird von der Fahrbahn über die daran gelagerten Fahrzeugräder angeregt. Dabei ist der Fahrschemel wieder an der Karosserie elastisch gelagert. Dadurch gerät der Fahrschemel in Schwingung, welche sich auf die Karosserie überträgt. Durch Ermitteln der Schwingung des Fahrschemels, entweder an der Karosserie, wie im ersten Szenario beschrieben, oder am Fahrschemel selbst, kann die darauf wirkende Kraft bestimmt werden. Da der Elektromotor ebenfalls am Fahrschemel angebracht ist, kann durch Erzeugung eines passenden kompensierenden Antriebsmoments, welches sich aus der Änderung des momentan vom Elektromotor erzeugten Antriebsmoments ergibt, eine Kraft erzeugt werden, welche betragsmäßig gleich ist, aber gegenphasig zu der auf den Fahrschemel wirkenden Kraft. Dadurch wird bereits die Schwingung des Fahrschemels und dadurch der Kräftetransfer auf die die Karosserie des Elektrofahrzeugs minimiert. Letztendlich wird dadurch die Schwingung der Karosserie und somit der Luftschall im Fahrgastraum minimiert.
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Unter einem Minimieren der Schwingung der Karosserie kann ein Minimieren der Schwingungsanteile im Frequenzspektrum der Schwingung der Karosserie verstanden werden, inklusive Bauteilen, wie der Heckklappe. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Ausbreitung einer Schwingung über die Karosserie des Elektrofahrzeugs verhindert und dadurch eine daraus resultierende Schallerzeugung im Fahrzeuginneren, indem ein Transfer von Schwingungen von dem Fahrschemel des Elektrofahrzeugs auf dessen Karosserie minimiert wird.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Reduzieren einer Schwingung einer Fahrzeugkarosserie eines Elektrofahrzeugs mittels seines Elektromotors bereitgestellt. Bei dem Elektromotor handelt es sich um den das Elektrofahrzeug antreibenden Motor, welcher über eine Leistungselektronik aus der Traktionsbatterie gespeist wird.
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Das Verfahren weist Ermitteln einer Schwingung eines Fahrschemels, oder Ermitteln einer Schwingung der Fahrzeugkarosserie im Bereich der Krafteinleitungsstellen durch den Fahrschemel, wenn der Elektromotor an der Fahrzeugkarosserie gelagert ist oder wenn der der Elektromotor am Fahrschemel gelagert ist. Die beiden Fälle entsprechen den beiden bereits beschriebenen Szenarien für die Möglichkeiten, den Elektromotor im Elektrofahrzeug zu lagern. Unter dem Ermitteln der Schwingung kann insbesondere ein Erfassen des Schwingungsverhaltens verstanden werden, welches ein Erfassen eines Frequenzspektrums des Schwingungsbewegung des betrachteten Objekts mittels geeigneter Sensoren aufweisen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner Ermitteln eines erforderlichen Moments des Elektromotors, um eine Kraft in den Fahrschemel oder in die Karosserie einzuleiten, welche der durch die ermittelte Schwingung verursachten und auf den Fahrschemel oder die Karosserie einwirkenden Kraft entgegenwirkt. Bei dem erforderlichen Moment handelt es sich um ein Antriebsmoment, welches jedoch in den meisten Fällen eine Amplitude aufweist, die deutlich kleiner ist als das aktuell für den Vortrieb des Elektrofahrzeugs durch den Elektromotor erzeugte Antriebsmoment. Zur Umrechnung eines Antriebsmoments des Elektromotors in eine resultierende Kraft, welche auf die Fahrzeugkarosserie oder den Fahrschemel ausgeübt wird, kann beispielsweise eine Umsetzungstabelle verwendet werden, wobei die Werte durch Berechnung oder experimentelles Bestimmen ermittelt werden können. Alternativ können statt einer Umsetzungstabelle typische Regelansätze verwendet werden.
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Das Antriebsmoment des Elektromotors überträgt ein Drehmoment auf dasjenige Bauteil, an dem es gelagert ist, also die Fahrzeugkarosserie oder den Fahrschemel. An den vorderen und hinteren (bzgl. Fahrzeuglängsachse) Lagerpunkten des Elektromotors an dem Bauteil werden jeweils betragsgleiche, aber entgegengesetzt gerichtete Kräfte in das Bauteil eingeleitet, die in ihrer Gesamtheit als Drehmoment wirken. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Rotationsache des Rotors des Elektromotors senkrecht zur Fahrzeuglängsachse angeordnet ist. Aufgrund dieser räumlichen Anordnung des Elektromotors im Elektrofahrzeug kann mittels des Verfahrens nur Nickbewegungen der Karosserie bzw. des Fahrschemels entgegengewirkt werden. Ebenso kann einer Hubbewegung des gesamten Fahrzeugs nicht entgegengewirkt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner Anpassen mindestens eines Ansteuersignals des Elektromotors derart, dass aus der Änderung des Antriebsmoments des Elektromotors das erforderliche Moment erzeugt wird. Bei dem mindestens einen Ansteuersignal kann es sich um ein Drehmoment bildende Stromkomponente des Elektromotors handeln.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Schwingung mittels mindestens zwei Sensoren ermittelt werden, bei denen es sich bevorzugt um Beschleunigungssensoren handelt. Die ermittelte Beschleunigung beinhaltet die Polarität der Schwingung, welche maßgeblich für die gegenphasige Krafteinleitung durch den Elektromotor ist. Daher kann das Verfahren auch auf Basis von ermittelten Beschleunigungen durchgeführt werden.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die mindestens zwei Sensoren auf bezüglich einer Längsachse des Elektrofahrzeugs unterschiedlichen Positionen auf dem Fahrschemel oder der Fahrzeugkarosserie angeordnet sein. Anders ausgedrückt kann ein Sensor an einem vorderen Teil des Fahrschemels bzw. an einem vorderen Lagerpunkt (oder in dessen Bereich) des Fahrschemels an der Karosserie angeordnet sein und der zweite Sensor kann an einem hinteren Teil des Fahrschemels bzw. an einem hinteren Lagerpunkt (oder in dessen Bereich) des Fahrschemels an der Karosserie angeordnet sein.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die mindestens zwei Sensoren an Lagerpunkten des Fahrschemels an der Fahrzeugkarosserie oder in einem Abstand von maximal 30 cm davon entfernt angeordnet sein. Generell gilt, dass je näher die Sensoren an den Lagerpunkten des Fahrschemels an der Karosserie angeordnet sind, umso genauer kann die von dem Fahrschemel auf die Fahrzeugkarosserie übertragene Schwingung ermittelt werden.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Ermitteln der Schwingung ein Erfassen von Schwingungsfrequenzen im Bereich von 30 Hz bis 40 Hz aufweisen. Hierzu kann das ermittelte Frequenzspektrum mittels eines Bandpassfilters gefiltert werden, um lediglich den für das erfindungsgemäße Verfahren relevanten Schwingungsbereich zu erfassen. Schallwellen im Bereich von ca. 30 Hz bis ca. 40 Hz werden im Fahrzeuginneren von den Insassen als Dröhnen wahrgenommen.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Ermitteln der Schwingung ferner ein Subtrahieren der von den mindestens zwei Sensoren ausgegebenen Schwingungssignale voneinander aufweisen. Durch eine Subtraktion eines Signals von einem an einem vorderen Teil des Fahrschemels bzw. an einem vorderen Lagerpunkt (oder in dessen Bereich) des Fahrschemels an der Karosserie angeordneten Sensor von einem Signal von einem an einem hinteren Teil des Fahrschemels bzw. an einem hinteren Lagerpunkt (oder in dessen Bereich) des Fahrschemels an der Karosserie angeordneten Sensor können gleichgerichtete Beschleunigungen, welche eine Hubbewegung des Fahrzeugs repräsentieren, effizient eliminiert werden, da einer solchen ohnehin mittels des hier vorgestellten Verfahrens nicht entgegengewirkt werden kann. Eine Nickbewegung des Fahrschemels oder er Karosserie wird so hingegen betont. Damit kann mittels einer Subtraktion der Sensorsignale voneinander das Zielsignal für die Ermittlung des erforderlichen Drehmoments optimiert werden.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Schwingung mittels mindestens vier Sensoren ermittelt werden, wobei relativ zu einer mittig durch das Elektrofahrzeug verlaufende Längsachse eine gleiche Anzahl von Sensoren auf einer rechten Seite und auf einer linken Seite des Elektrofahrzeugs angeordnet sein kann. Anders ausgedrückt können die Sensoren zur Erfassung der Schwingung des Fahrschemels bzw. der Karosserie in einer achsensymmetrischen Anordnung vorliegen, wobei die Symmetrieachse der mittig angeordneten Längsachse des Fahrzeugs entsprechen kann.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Ermitteln der Schwingung ein Mitteln der auf der rechten und auf der linken Seite des Fahrzeugs ermittelten Signale aufweisen, welche hinsichtlich ihrer Lage relativ zur Längsachse des Fahrzeugs einander entsprechen. Anders ausgedrückt können die Signale von denjenigen Sensoren auf der linken und rechten Fahrzeugseite gemittelt werden, die auf gleicher Höhe entlang der Fahrzeuglängsachse angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor bereitgestellt, wobei der Elektromotor auf einem Fahrschemel oder an der Fahrzeugkarosserie gelagert ist. Das Elektrofahrzeug weist mindestens zwei Sensoren, welche entweder auf dem Fahrschemel oder an der Fahrzeugkarosserie im Bereich der Krafteinleitungsstellen, bevorzugt an den Krafteinleitungsstellen, durch den Fahrschemel angeordnet sind, und einen Regelungsschaltkreis auf, welcher mit den mindestens zwei Sensoren und mit einem Steuergerät des Elektromotors gekoppelt ist, wobei der Regelungsschaltkreis eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeughecks mit einem Fahrschemel und einem darauf gelagerten Elektromotor.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeughecks mit einem Fahrschemel und einem Elektromotor, welcher an der Fahrzeugkarosserie gelagert ist.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines hinteren Teils einer Fahrzeugkarosserie 1 mit einem Fahrschemel 2 und einem darauf gelagerten Elektromotor 4 veranschaulicht. An dem Fahrschemel 2 ist eine Radaufhängung 3 gelagert. Der Fahrschemel 2 selbst ist wiederum am Heck der Fahrzeugkarosserie 1 gelagert. Die schwarzen, nicht explizit mit Bezugszeichen versehenen Linien stellen Verbindungselemente zwischen den jeweils genannten Einheiten dar.
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Während der Fahrt werden durch Fahrbahnanregung der Reifen bzw. das Rad 8 und die Achse, welche am Fahrschemel 2 gelagert ist, zu Schwingungen angeregt. Die Schwingungen werden an dem ersten Achslagerpunkt 51 und dem zweiten Achslagerpunkt 52 auf den Fahrschemel 2 übertragen. Da insgesamt ein Drehmoment auf den Fahrschemel 2 übertragen wird, ist die Kraft, welche am ersten Achslagerpunkt 51 wirkt, der Kraft, welche am zweiten Achslagerpunkt 52 wirkt, entgegengerichtet. Beide Kräfte (und auch weitere im Folgenden erwähnte Kräfte sind durch entsprechende Kraftpfeile repräsentiert). Im Regelfall, d.h. ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, übertragen sich diese Kräfte von dem Fahrschemel 2 auf die Fahrzeugkarosserie am ersten Fahrschemel-Lagerpunkt 61 und dem zweiten Fahrschemel-Lagerpunkt 62.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch die Schwingung des Fahrschemels 2 ermittelt bzw. erfasst. Daraufhin wird ein erforderliches Moment des Elektromotors 4 ermittelt, um eine Kraft in den Fahrschemel 2 einzuleiten, welche der durch die ermittelte Schwingung verursachten und auf den Fahrschemel 2 einwirkenden Kraft zumindest teilweise entgegenwirkt. In 1 ist diese kompensatorische Kraft in Form der beiden entgegengesetzt gerichteten Kraftpfeile repräsentiert, welche am ersten Motorlagerpunkt 71 und am zweiten Motorlagerpunkt 72 auf den Fahrschemel 2 übertragen werden. Die kompensatorische Kraft wird erzeugt, indem mindestens ein Ansteuersignal des Elektromotors 2 derart angepasst wird, dass aus der Änderung des Antriebsmoments des Elektromotors 4 das erforderliche Moment erzeugt wird, was die beiden an dem ersten und zweiten Motorlagerpunkt 71, 72 wirkenden Kräfte erzeugt. Diese Kräfte sind den Kräften, die am ersten und zweiten Achslagerpunkt 51, 52 am Fahrschemel wirken, entgegengerichtet und sind so groß, dass sie das Schwingverhalten des Fahrschemels 2 minimieren oder im Optimalfall ganz unterdrücken. Dadurch überträgt der Fahrschemel 2 keine Kräfte auf die Fahrzeugkarosserie 1 am ersten und zweiten Fahrschemel-Lagerpunkt 61, 62.
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Zur Ermittlung der Kräfte bzw. der Schwingungen können an allen in 1 eingezeichneten Lagerpunkten entsprechende Sensoren, z.B. Beschleunigungssensoren angeordnet sein. Der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtete Regelungsschaltkreis, welcher mit den Sensoren und mit dem in 1 nicht explizit gezeigten Steuergerät des Elektromotors 4 gekoppelt ist, ist in 1 nicht explizit gezeigt.
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In 2 ist ein gegenüber 2 leicht abgewandeltes Szenario dargestellt, bei dem der Elektromotor 4 nicht am Fahrschemel 2, sondern direkt an der Fahrzeugkarosserie 1 gelagert ist. Ansonsten entspricht der übrige Aufbau dem in 1 gezeigten Aufbau, so dass für die gleichen Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, ohne diese erneut zu beschreiben.
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Bei einem derart ausgelegten Fahrzeug findet an dem ersten und zweiten Fahrschemel-Lagerpunkt 61, 62 unweigerlich eine Einleitung von Kräften vom Fahrzeugschemel 2 an der Fahrzeugkarosserie statt, wodurch die Fahrzeugkarosserie 1 in Schwingung versetzt wird. Um die Auswirkungen der Kräfteeinleitung der Fahrschemels 2 in die Fahrzeugkarosserie 1 zu minimieren, werden mittels Antriebsmomentänderung (erforderliches Moment) kompensatorische Kräfte an den ersten und zweiten Motorlagerpunkt 71, 72 erzeugt. Im Vergleich zu der in 1 veranschaulichten Fahrzeugkarosserie sind diese nunmehr an der Fahrzeugkarosserie 1 lokalisiert und nicht am Fahrschemel 2.
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In den beiden in 1 und 2 gezeigten Szenarien werden durch die zielgerichtete Erzeugung eines Moments zusätzlich zum momentan anliegenden regulären Antriebsmoment kompensatorische Kräfte erzeugt, welche den auf den Fahrschemel 2 einwirkenden Kräften (1) oder den vom Fahrschemel 2 auf in die Fahrzeugkarosserie 1 eingeleiteten Kräften (2) entgegenwirken. Dadurch wird die Schwingung der Fahrzeugkarosserie 2, zumindest in einem vorbestimmten Zielfrequenzbereich, und somit letztendlich der im Fahrgastraum entstehende Luftschall minimiert.
