DE19902222A1 - Schallisolierender Bodenbelag - Google Patents

Abstract

Die schallisolierende Wirkung eines Bodenbelages, der auf einem Boden in einem Innenraum eines Fahrzeuges aufliegt, kann verbessert werden, indem der Bodenbelag eine Unterlage, die auf dem Fahrzeugboden aufliegt, und einen Teppich aufweist, der auf der Unterlage aufliegt, wobei der E-Modul der Unterlage derart gewählt ist, daß der Fahrzeugboden und der Teppich ein akustisches Doppelwandsystem ausbilden, das eine Doppelwandfreaquenz aufweist, oberhalb derer das Doppelwandsystem eine ausreichende schallisolierende Wirkung aufweist, wobei die Unterlage derart ausgebildet ist, daß sich zwischen Fahrzeugboden und Teppich ein vorbestimmter Abstand einstellt, der in Abhängigkeit eines vorgebbaren Wertes für die Doppelwandresonanzfrequenz bestimmt wird, und wobei mit abnehmender Doppelwandresonanzfrequenz der Abstand zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen schallisolierenden Bodenbelag zur Auflage auf einen Boden in einem Innenraum eines Fahrzeu­ ges.

Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Personenkraftfahrzeugen be­ steht der Wunsch, den Fahrzeuginnenraum schallisolierend aus­ zugestalten, um eine Lärmbelästigung der Fahrzeuginsassen zu vermeiden, wodurch der Fahrkomfort erheblich gesteigert wird. Ein beträchtlicher Anteil des von außen in den Fahrzeuginnen­ raum eindringenden Schalls wird durch den Fahrzeugboden in das Fahrzeuginnere übertragen. Um diese Schallübertragung zu dämmen wird der Fahrzeugboden mit einem schallisolierenden Bodenbelag versehen. Ein derartiger Bodenbelag besteht regel­ mäßig aus einem Teppich und aus einer Unterlage, wobei die Unterlage auf dem Fahrzeugboden und der Teppich auf der Un­ terlage aufliegt.

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 ein herkömmlicher Bodenbelag möglichst schwer ausgebildet, um die Gesamtmasse des Fahrzeugbodens zu erhöhen, mit der Folge, daß dadurch die Schwingungserregung des gesamten Fahrzeugbodens reduziert und die Übertragung von Schall in den Fahrzeugin­ nenraum gering gehalten werden kann. Bekannte Bodenbeläge weisen daher regelmäßig einen Teppich auf, der an seiner Rückseite mit einer Schwerschicht versehen ist, wodurch der Teppich und somit der Bodenbelag eine große Flächenmassen­ dichte erhält. Eine derartige Schwerschicht ist jedoch teuer in ihrer Herstellung und aufgrund der darin enthaltenen Be­ standteile, insbesondere Schwermetalle, nur sehr aufwendig zu entsorgen.

Die Unterlage zwischen Fahrzeugboden und Teppich kann aus ei­ nem schweren Hartschaum mit Dämmeigenschaften gebildet wer­ den, um eine zusätzliche Dämmung des den Fahrzeugboden durch­ dringenden Lärms oder Schalls zu erhalten.

Damit bei Fahrzeugen mit relativ lauten Motoren eine gute Schallisolierung erzielt werden kann, müssen diese Fahrzeuge daher mit einem besonders schweren Bodenbelag ausgestattet werden. Bei Fahrzeugen mit leiseren Motoren kann dementspre­ chend ein leichterer Bodenbelag verwendet werden, wodurch die Herstellungskosten für das einzelne Fahrzeug reduziert werden sollen. Jedoch treten bei der Fließbandherstellung dieser Fahrzeuge bei in dieser Weise individuell ausgestatteten Mo­ dell-Typen logistische Probleme auf, da wenigstens zwei Arten von Bodenbelägen (schwere und leichte) zugeliefert und bevor­ ratet werden müssen.

Auch im Hinblick auf ein Kraftfahrzeug mit möglichst niedri­ gem Kraftstoffverbrauch ergibt sich beim Wunsch, den Fahrkom­ fort des Fahrzeuges nicht zu beeinträchtigen, ein Konflikt. Denn eine wichtige Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoff­ verbrauches ist die Verringerung des Gesamtgewichtes des Fahrzeuges. Wenn im Rahmen der Gewichtsreduzierung beispiels­ weise der Fahrzeugböden statt aus Stahlblech aus einem Leichtmetall, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, her­ gestellt werden soll, hat dies unter Berücksichtigung der vorgenannten Massengesetze zur Folge, daß der leichtere Boden mehr Schall in den Fahrzeuginnenraum überträgt. Um bei einem derartigen Leichtbauboden diesen Verlust an Schalldämmung auszugleichen, muß das Fahrzeug mit einem schwereren Bodenbe­ lag ausgestattet werden. Durch diese Maßnahme wird die durch Verwendung eines Leichtbaubodens theoretisch mögliche Ge­ wichtseinsparung in der Praxis durch Komfortanforderungen be­ trächtlich reduziert. Außerdem wird die Verwendung eines oh­ nehin teurerer Leichtbauboden 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, einen Bodenbelag der eingangs genannten Art anzugeben, der eine verbesserte Schalldämmungswirkung aufweist, ohne das da­ zu seine Masse vergrößert werden muß.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch einen Bodenbelag mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen aus Teppich und Unterlage gebildeten Bodenbelag dahingehend aus­ zugestalten, daß sich aufgrund der gewählten E-Moduli bzw. Steifigkeiten der für Teppich und Unterlage gewählten Werk­ stoffe ein akustisches Doppelwandsystem ausbildet. Durch die­ se Maßnahme ist es möglich einen speziellen akustischen Ef­ fekt, nämlich die sogenannte Doppelwandresonanz, vorteilhaft für die Schalldämmung des Bodenbelags auszunutzen. Die vorge­ nannte Doppelwandresonanz hat zur Folge, daß Frequenzen ober­ halb einer bestimmten Doppelwandresonanzfrequenz durch das Doppelwandsystem wirkungsvoll gedämmt werden. Unter Ausnut­ zung dieser Erkenntnis kann somit die Dämmungswirkung eines mit einem Bodenbelag versehenen Fahrzeugbodens erheblich ver­ bessert werden, wenn durch einen geeignet gewählten Abstand zwischen Teppich und Fahrzeugboden die Doppelwandresonanzfre­ quenz möglichst zu niedrigen Werten hin verschoben wird. Der Abstand zwischen Teppich und Fahrzeugboden wird dabei durch die Gestaltung der Unterlage festgelegt.

Die erfindungsgemäß erzielte Verbesserung der Dämmungswirkung des Bodenbelages durch eine gezielte Wahl des Abstandes zwi­ schen Teppich und Fahrzeugboden kann dabei überraschenderwei­ se ohne eine Vergrößerung der Masse des Bodenbelages erfol­ gen. Es ist sogar möglich, die Dämmungseigenschaft des Boden­ belages im Vergleich zu einem Ausgangsbodenbelag zu verbes­ sern, auch wenn gleichzeitig die Masse des Bodenbelages im Vergleich zum Ausgangsbodenbelag verringert wird.

Das zur Ausbildung des Doppelwandsystem für die Unterlage verwendete Material, beispielsweise ein Schaumstoff, ist preiswert herstellbar und kann ohne weiteres entsorgt oder sogar wiederverwertet werden. Für die Serienherstellung der Fahrzeuge ergibt sich durch die Verwendung des erfindungsge­ mäßen Bodenbelages die Möglichkeit, für sämtliche Fahrzeugty­ pen mit gleichem Fahrzeugboden, denselben, preiswert her­ stellbaren Bödenbelag zu verwenden, so daß zur Erleichterung der Logistik nur ein einziger Bodenbelag bevorratet und zuge­ liefert werden muß.

Besonders gute Dämmungseigenschaften können für den erfin­ dungsgemäßen Bodenbelag erzielt werden, wenn der E-Modul der Unterlage sehr niedrig gewählt wird, insbesondere, wenn der E-Modul im Bereich des E-Moduls von Luft liegt. Derartige Un­ terlagen können beispielsweise aus einem leichten, weichen Schaumstoff hergestellt sein.

Wenn für die Doppelwandresonanzfrequenz ein bestimmter Wert vorgegeben ist, kann entsprechend einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Bodenbelages der Abstand zwi­ schen Teppich und Fahrzeugboden in Abhängigkeit der Flächen­ massendichte des Fahrzeugbodens und des Teppichs bestimmt werden, wobei dann der Abstand zunimmt, wenn die Flächenmas­ sendichte des Fahrzeugbodens und/oder des Teppichs abnimmt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der Fahrzeugboden mit darauf aufliegendem Bodenbelag eine insgesamt etwa gleich­ bleibende Dämmungswirkung aufweist, wenn die Flächenmassen­ dichte des Fahrzeugbodens und/oder des Teppichs variiert wird und gleichzeitig der Abstand zwischen Teppich und Fahrzeugbo­ den in entsprechender Weise angepaßt wird. Wenn beispielswei­ se anstelle eines Stahlbodens ein Aluminiumboden für das Fahrzeug verwendet wird, muß der Abstand zwischen Teppich und Fahrzeugboden vergrößert werden, um von außen durch den Fahr­ zeugboden in den Fahrzeuginnenraum eintretenden Schallwellen die gleiche Dämmungswirkung entgegenbringen zu können.

Überraschenderweise kann die Dämmungswirkung des mit dem er­ findungsgemäßen Bodenbelag versehenen Fahrzeugbodens verbes­ sert werden, wenn entsprechend einer anderen Ausführungsform die Flächenmassendichte des Teppichs etwa gleich groß ist, wie die Flächenmassendichte des Fahrzeugbodens.

Um die Ausbildung eines aus Teppich, Unterlage und Fahrzeug­ boden bestehenden Doppelwandsystems zu verbessern kann ent­ sprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bodenbelages zwischen Teppich und Unterlage eine Versteifungsschicht angeordnet sein. Eine derartige Ver­ steifungsschicht kann beispielsweise aus einem hochsteifen Leichtbauwerkstoff bestehen, der insbesondere keine Däm­ mungseigenschaften aufzuweisen braucht. Neben einer verstärk­ ten Ausprägung des Doppelwandsystems bewirkt die Verstei­ fungsschicht außerdem eine Erhöhung der Trittfestigkeit des Bodenbelages. Wenn eine derartige Versteifungsschicht verwen­ det wird, kann es notwendig sein den Abstandswert zwischen Teppich und Fahrzeugboden in geeigneter Weise zu korrigieren.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Bodenbelages ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzug­ ter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Boden­ belag und

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bodenbelages.

Entsprechend den Fig. 1 und 2 ist ein Fahrzeugboden 1 eines im übrigen nicht dargestellten Kraftfahrzeuges mit einem Bo­ denbelag 2 versehen. Der Bodenbelag 2 besteht dabei aus einem Teppich 3 und aus einer zwischen Teppich 3 und Fahrzeugboden 1 angeordneten Unterlage 4. Der Teppich 3 weist auf einer ei­ nem Fahrzeuginnenraum 5 zugewandten Oberseite 6 eine entspre­ chend ästhetischen Gesichtspunkten gestaltete, gegenüber me­ chanischen Belastungen widerstandsfähige Struktur auf. Auf einer Unterseite 7 ist der Teppich 3 üblicherweise mit der Unterlage 4, beispielsweise durch eine Verklebung oder ein An- oder Aufschmelzen fest verbunden.

Die Unterlage 4 weist auf ihrer dem Fahrzeugboden 1 zugewand­ ten Oberfläche üblicherweise eine dreidimensionale Negativ­ form der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Fahrzeug­ bodens 1 auf. Durch diese Maßnahme ergibt sich für den Boden­ belag 2 zumindest in Schubrichtung ein effektiver Formschluß. Außerdem kann dadurch über den gesamten Bodenbelag 2 eine et­ wa gleichbleibende Trittfestigkeit gewährleistet werden.

Ein Abstand Δ zwischen dem Teppich 3 und dem Fahrzeugboden 1 wird dabei durch die Dimensionierung der Unterlage 4 festge­ legt. Bei einem dreidimensional strukturierten Fahrzeugboden 1 wird der Abstand ∆ über die gesamte Fahrzeugbodenfläche ge­ mittelt, so daß der Abstand ∆ einem Abstandsmittelwert ent­ spricht.

Um aus dem Fahrzeugboden 1 und dem Teppich 3 ein durch die Unterlage 4 gekoppeltes Doppelwandsystem zu erzeugen, müssen die Steifigkeiten bzw. die E-Moduli von Fahrzeugboden 1, Tep­ pich 3 und Unterlage 4 in entsprechender Weise aufeinander abgestimmt werden.

Naturgemäß weist der Fahrzeugboden 1 einen relativ großen E- Modul und somit eine große Steifigkeit auf. Auch ist die Steifigkeit bzw. der E-Modul des Teppichs 3 aufgrund der zu erzielenden Trittfestigkeit relativ hoch. Der E-Modul des Teppichs 3 kann zusätzlich durch eine relativ dünne, zwischen Unterlage 4 und Teppich 3 angeordnete, im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dargestellte Versteifungsschicht 8 erheblich verbessert werden. Zweckmäßigerweise weist eine derartige Versteifungsschicht 8 dann eine hohe Steifigkeit bzw. einen relativ großen E-Modul auf. Im Unterschied zu den vorgenann­ ten Materialien weist jedoch die Unterlage 4 einen erheblich niedrigeren E-Modul bzw. eine wesentlich kleinere Steifigkeit als der Fahrzeugboden 1 und der ggf. durch die Versteifungs­ schicht 8 verstärkte Teppich 2 auf. Vorzugsweise bewegt sich der E-Modul der Unterlage 4 im Bereich des E-Moduls von Luft, so daß von einer "luftweichen" Unterlage 4 gesprochen werden kann.

Wenn auf diese Weise ein Döppelwandsystem ausgebildet ist, kann der Abstand ∆ in Analogie zu folgender Näherungsglei­ chung bestimmt werden:

wobei:

mit:
f_R = Doppelwandresonanzfrequenz,
N_U = Proportionalitätsfaktor (abhängig vom Unterlagenmateri­ al),
∆ = Abstand zwischen Teppich (3) und Fahrzeugboden (1),
M = Gesamtflächenmassendichte des Doppelwandsystems,
m_B = Flächenmassendichte des Fahrzeugbodens (1),
m_T = Flächenmassendichte des Teppichs (3).

Dabei ist die Doppelwandresonanzfrequenz f_R diejenige Fre­ quenz, oberhalb der Schallwellen, die von außen auf das durch Fahrzeugboden 1 und Unterlage 2 gebildete Doppelwandsystem einwirken, eine erhebliche Dämmung erfahren. Unterhalb der Doppelwandresonanzfrequenz f_R ist die Dämmungswirkung des Dop­ pelwandsystems erheblich niedriger, so daß das Doppelwandsy­ stem im Prinzip wie ein Tiefpaßfilter wirkt und oberhalb der Doppelwandresonanzfrequenz f_R eine Breitbandwirkung hinsicht­ lich der Schallisolierung entfaltet.

Für den in der obigen Näherungsgleichung verwendeten Propor­ tionalitätsfaktor N_U ergibt sich ein Wert von etwa 600, wenn der E-Modul der Unterlage 4 etwa mit dem E-Modul von Luft übereinstimmt und wenn zusätzlich der Abstand ∆ zwischen Tep­ pich 3 und Fahrzeugboden 1 mit der Einheit Zentimeter in die Näherungsgleichung eingesetzt wird.

Unter Berücksichtigung der obigen Näherungsgleichung ergeben sich für die Gestaltung des Schallschutzes bzw. der Schall­ dämmung im Bereich des Fahrzeugbodens eine Vielzahl von Va­ riationsmöglichkeiten.

Um die Doppelwandresonanzfrequenz f_R in Richtung kleinerer Frequenzen zu verschieben, kann beispielsweise die Gesamtflä­ chenmässendichte des Doppelwandsystems vergrößert werden, was aber aufgrund der auch bei herkömmlichen Auslegungsverfahren verwendeten Massengesetze zu erwarten war. Überraschenderwei­ se hat die Veränderung des Abstandes ∆ jedoch einen gleich­ rangigen Einfluß auf die Doppelwandresonanzfrequenz f_R.

Darüber hinaus macht sich der Einfluß des Abstandes Δ deut­ lich stärker bemerkbar als eine separate Massenveränderung der Masse des Teppichs 3 oder der Masse des Fahrzeugbodens 1, da die Teilmassen von Teppich 3 und Fahrzeugboden 1 nur über die Summe ihrer Kehrwerte reziprok in die Gesamtmasse des Doppelwandsystems eingehen. Dies hat zur Föige, daß bei­ spielsweise ein doppelter Abstand Δ einen erheblich stärkeren Einfluß auf die Doppelwandresonanzfrequenz f_R ausübt, als eine Verdoppelung der Masse des Teppichs 2 bzw. dessen Flächenmas­ sendichte m_T.

Bemerkenswert ist auch der obengenannte Zusammenhang zwischen der Gesamtflächenmassendichte M des Doppelwandsystems und den Flächenmassendichten m_T und m_B des Teppichs 3 und des Fahr­ zeugbodens 1. Demnach ergibt sich eine besonders gute Däm­ mungswirkung, das heißt eine relativ niedrige Doppelwandreso­ nanzfrequenz f_R, wenn die Flächenmassendichten m_T und m_B von Teppich 3 und Fahrzeugboden 1 etwa gleich groß gewählt wer­ den. Dies kann bei einem relativ zu einem schweren Ausgangs­ fahrzeugboden extrem leichten Fahrzeugboden 1 auch dazu füh­ ren, daß sich die Dämmungswirkung des Doppelwandsystems 1, 2 verbessern läßt, wenn der Teppich 3 relativ zum Teppich des Ausgangsfahrzeugbodens leichter ausgebildet wird. Diese Er­ kenntnis widerspricht somit den eingangs geschilderten akus­ tischen Äuslegungsmethoden, die sich streng an den Massenge­ setzen orientieren.

Claims (9)

1. Schallisolierender Bodenbelag zur Auflage auf einen Bo­ den in einem Innenraum eines Fahrzeuges, mit folgenden Merkmalen:

• A) der Bodenbelag (2) weist eine Unterlage (4) auf, die auf dem Fahrzeugboden (1) aufliegt,
• B) der Bodenbelag (2) weist einen Teppich (3) auf, der auf der Unterlage (4) aufliegt,
• C) der E-Modul der Unterlage (4) ist derart gewählt, daß der Fahrzeugboden (1) und der Teppich (3) ein akustisches Doppelwandsystem ausbilden,
• D) das Doppelwandsystem weist eine Doppelwandresonanzfre­ quenz (f_R) auf, oberhalb derer das Doppelwandsystem eine ausreichende schallisolierende Wirkung aufweist,
• E) die Unterlage (4) ist derart ausgebildet, daß sich zwi­ schen Fahrzeugboden (1) und Teppich (3) ein vorbestimmter Abstand (∆) einstellt,
• F) der Abstand (∆) zwischen Fahrzeugboden (1) und Teppich (3) wird in Abhängigkeit eines vorgebbaren Wertes für die Doppelwandresonanzfrequenz (f_R) bestimmt, wobei mit abneh­ mender Doppelwandresonanzfrequenz (f_R) der Abstand (∆) zu­ nimmt.

2. Bodenbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der E-Modul der Unterlage (4) einen Wert aufweist, der im Bereich des E-Moduls von Luft liegt.

3. Bodenbelag nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vorgegebenen Wert für die Doppelwandresonanz­ frequenz (f_R) der Abstand (∆) zwischen Teppich (3) und Fahr­ zeugboden (1) in Abhängigkeit der Flächenmassendichte (m_B) des Fahrzeugbodens (1) und der Flächenmassendichte (m_T) des Tep­ pichs (3) bestimmt wird, wobei der Abstand (∆) zunimmt, wenn die Flächenmassendichte (m_B) des Fahrzeugbodens (1) und/oder die Flächenmassendichte (m_T) des Teppichs (3) abnimmt.

4. Bodenbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenmassendichte (m_T) des Teppichs (3) etwa gleich groß ist wie die Flächenmassendichte (m_B) des Fahrzeugbodens (1).

5. Bodenbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (4) im wesentlichen in Form eines Negativ­ abdruckes an die dreidimensionale Oberflächenstruktur des Fahrzeugbodens (1) angepaßt ist, wobei als Abstand (∆) zwi­ schen Fahrzeugboden (1) und Teppich (3) ein über die Fahr­ zeugbodenoberfläche gemittelter Abstandsmittelwert dient.

6. Bodenbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Teppich (3) und Unterlage (4) eine Versteifungs­ schicht (8) angeordnet ist.

7. Bodenbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (∆) zwischen Fahrzeugboden (1) und Teppich (3) einem in Analogie zu der Näherung:
berechneten Wert entspricht, wobei:
mit: f_R = Doppelwandresonanzfrequenz,
N_U = Proportionalitätsfaktor (abhängig vom Unterlagenmateri­ al)
∆ = Abstand zwischen Teppich (3) und Fahrzeugboden (1),
M = Gesamtflächenmassendichte des Doppelwandsystems,
m_B = Flächenmassendichte des Fahrzeugbodens (1),
m_T = Flächenmassendichte des Teppichs (3).

8. Bodenbelag nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Unterlagenmaterial abhängige Proportionalitäts­ faktor (N_U) einen Wert von etwa 600 annimmt, wenn der E-Modul der Unterlage (4) etwa mit dem E-Modul von Luft übereinstimmt und wenn der Abstand (∆) zwischen Teppich (3) und Fahrzeugbo­ den (1) in der Einheit Zentimeter in die Näherung eingeht.

9. Bodenbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Unterlage (4) und Teppich (3) bzw. Unterlage (4), Ver­ steifungsschicht (8) und Teppich (3) als ein separat montier­ bares Bauteil ausgebildet sind.