DE19902222C2 - Schallisolierender Bodenbelag - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen schallisolierenden Bodenbelag für den Innenraum eines Fahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Anspruchs 1.

Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Personenkraftfahrzeugen, be­ steht der Wunsch, den Fahrzeuginnenraum schallisolierend auszu­ gestalten, um eine Lärmbelästigung der Fahrzeuginsassen zu ver­ meiden, wodurch der Fahrkomfort erheblich gesteigert wird. Ein beträchtlicher Anteil des von außen in den Fahrzeuginnenraum eindringenden Schalls wird durch den Fahrzeugboden in das Fahr­ zeuginnere übertragen. Um diese Schallübertragung zu dämmen wird der Fahrzeugboden mit einem schallisolierenden Bodenbelag versehen. Ein derartiger Bodenbelag besteht regelmäßig aus ei­ nem Teppich und aus einer Unterlage, wobei die Unterlage auf dem Fahrzeugboden und der Teppich auf der Unterlage 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 gute Däm­ mungseigenschaften aufweist. Konsequenterweise wird ein her­ kömmlicher Bodenbelag möglichst schwer ausgebildet, um die Ge­ samtmasse des Fahrzeugbodens zu erhöhen, mit der Folge, daß da­ durch die Schwingungserregung des gesamten Fahrzeugbodens redu­ ziert und die Übertragung von Schall in den Fahrzeuginnenraum 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 Flächenmassendichte erhält. Eine derarti­ ge Schwerschicht ist jedoch teuer in ihrer Herstellung und auf­ grund der darin enthaltenen Bestandteile, insbesondere Schwer­ metalle, nur sehr aufwendig zu entsorgen.

Die Unterlage zwischen Fahrzeugboden und Teppich kann aus einem schweren Hartschaum mit Dämmeigenschaften gebildet werden, um eine zusätzliche Dämmung des den Fahrzeugboden durchdringenden 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 wer­ den. Bei Fahrzeugen mit leiseren Motoren kann dementsprechend ein leichterer Bodenbelag verwendet werden, wodurch die Her­ stellungskosten für das einzelne Fahrzeug reduziert werden sol­ len. Jedoch treten bei der Fließbandherstellung dieser Fahrzeu­ ge bei in dieser Weise individuell ausgestatteten Modell-Typen logistische Probleme auf, da wenigstens zwei Arten von Bodenbe­ lägen (schwere und leichte) zugeliefert und bevorratet werden müssen.

Auch im Hinblick auf ein Kraftfahrzeug mit möglichst niedrigem Kraftstoffverbrauch ergibt sich beim Wunsch, den Fahrkomfort des Fahrzeuges nicht zu beeinträchtigen, ein Konflikt. Denn ei­ ne wichtige Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches ist die Verringerung des Gesamtgewichtes des Fahrzeuges. Wenn im Rahmen der Gewichtsreduzierung beispielsweise der Fahrzeug­ boden statt aus Stahlblech aus einem Leichtmetall, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt werden soll, hat dies unter Berücksichtigung der vorgenannten Massengesetze zur Fol­ ge, daß der leichtere Boden mehr Schall in den Fahrzeuginnen­ raum überträgt. Um bei einem derartigen Leichtbauboden diesen Verlust an Schalldämmung auszugleichen, muß das Fahrzeug mit einem schwereren Bodenbelag ausgestattet werden. Durch diese Maßnahme wird die durch Verwendung eines Leichtbaubodens theo­ retisch mögliche Gewichtseinsparung in der Praxis durch Kom­ fortanforderungen beträchtlich reduziert. Außerdem wird die Verwendung eines ohnehin teurerer Leichtbauboden durch den not­ wendigen Einsatz eines schwereren und somit gleichfalls teure­ ren Bodenbelages zusätzlich verteuert. Auf diese Weise ergibt sich eine wirtschaftlich ungünstige Relation zwischen dem redu­ zierten Kraftstoffverbrauch gegenüber den zusätzlich aufzubrin­ genden Herstellungskosten für das Fahrzeug.

Aus der DE 43 43 970 A1 ist ein Bodenbelag der eingangs genann­ ten Art bekannt, der eine auf dem Fahrzeugboden aufliegende Un­ terlage sowie einen Teppich aufweist, der auf dieser Unterlage aufliegt. Dabei ist der E-Modul der Unterlage derart gewählt, daß der Fahrzeugboden und der Teppich ein akustisches Doppel­ wandsystem ausbilden. Durch diese Maßnahme ist es möglich, ei­ nen speziellen akustischen Effekt, nämlich die sogenannte Dop­ pelwandresonanz, vorteilhaft für die Schalldämmung des Bodenbe­ lags auszunutzen. Die vorgenannte Doppelwandresonanz hat zur Folge, daß Frequenzen oberhalb einer bestimmten Doppelwandreso­ nanzfrequenz durch das Doppelwandsystem wirkungsvoll gedämmt werden.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ei­ nen Bodenbelag der eingangs genannten Art anzugeben, der eine verbesserte Schalldämmungswirkung aufweist, ohne dass dazu 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, den physika­ lischen Effekt der Doppelwandresonanz gezielt auszunutzen, um durch die Auswahl des Abstands zwischen Teppich und Fahrzeugbo­ den die Doppelwandresonanzfrequenz so einzustellen, daß sich eine verbesserte Schalldämmungswirkung ergibt, ohne daß dazu die Masse des Bodenbelags vergrößert werden muß. Unter Ausnut­ zung dieser Erkenntnis kann somit die Dämmungswirkung eines mit einem Bodenbelag versehenen Fahrzeugbodens erheblich verbessert werden, wenn durch einen geeignet gewählten Abstand zwischen Teppich und Fahrzeugboden die Doppelwandresonanzfrequenz mög­ lichst zu niedrigen Werten hin verschoben wird. Der Abstand zwischen Teppich und Fahrzeugboden wird dabei durch die Gestal­ tung der Unterlage festgelegt.

Die erfindungsgemäß erzielte Verbesserung der Dämmungswirkung des Bodenbelages durch eine gezielte Wahl des Abstandes zwi­ schen Teppich und Fahrzeugboden kann dabei überraschenderweise ohne eine Vergrößerung der Masse des Bodenbelages erfolgen. Es ist sogar möglich, die Dämmungseigenschaft des Bodenbelages im Vergleich zu einem Ausgangsbodenbelag zu verbessern, auch wenn gleichzeitig die Masse des Bodenbelages im Vergleich zum Aus­ gangsbodenbelag verringert wird.

Das zur Ausbildung des Doppelwandsystems für die Unterlage ver­ wendete Material, beispielsweise ein Schaumstoff, ist preiswert herstellbar und kann ohne weiteres entsorgt oder sogar wiederverwendet werden. Es gibt die Möglichkeit, für sämtliche Fahrzeugtypen mit gleichem Fahrzeugboden, denselben, preiswert herstellbaren Bodenbelag zu verwenden, so daß zur Erleichterung der Logistik nur ein einzi­ ger Bodenbelag bevorratet und zugeliefert werden muß.

Besonders gute Dämmungseigenschaften können für den erfindungs­ gemäßen Bodenbelag erzielt werden, wenn der E-Modul der Unter­ lage sehr niedrig gewählt wird, insbesondere, wenn der E-Modul im Bereich des E-Moduls von Luft liegt. Derartige Unterlagen 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 Flächenma­ ssendichte des Fahrzeugbodens und des Teppichs bestimmt werden, wobei dann der Abstand zunimmt, wenn die Flächenmassendichte des Fahrzeugbodens und/oder des Teppichs abnimmt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der Fahrzeugboden mit darauf auf­ liegendem Bodenbelag eine insgesamt etwa gleichbleibende Däm­ mungswirkung aufweist, wenn die Flächenmassendichte des Fahr­ zeugbodens und/oder des Teppichs variiert wird und gleichzeitig der Abstand zwischen Teppich und Fahrzeugboden in entsprechen­ der Weise angepaßt wird. Wenn beispielsweise anstelle eines Stahlbodens ein Aluminiumboden für das Fahrzeug verwendet wird, muß der Abstand zwischen Teppich und Fahrzeugboden vergrößert werden, um von außen durch den Fahrzeugboden in den Fahrzeugin­ nenraum eintretenden Schallwellen die gleiche Dämmungswirkung entgegenbringen zu können.

Überraschenderweise kann die Dämmungswirkung des mit dem erfin­ dungsgemäßen Bodenbelag versehenen Fahrzeugbodens verbessert 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 Fahrzeugbo­ den bestehenden Doppelwandsystems zu verbessern kann entspre­ chend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Bodenbelages zwischen Teppich und Unterlage eine Versteifungsschicht angeordnet sein. Eine derartige Verstei­ fungsschicht kann beispielsweise aus einem hochsteifen Leicht­ bauwerkstoff bestehen, der insbesondere keine Dämmungseigen­ schaften aufzuweisen braucht. Neben einer verstärkten Ausprä­ gung des Doppelwandsystems bewirkt die Versteifungsschicht au­ ßerdem eine Erhöhung der Trittfestigkeit des Bodenbelages. Wenn eine derartige Versteifungsschicht verwendet wird, kann es not­ wendig 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 bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Bodenbe­ lag 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 Bodenbe­ lag 2 versehen. Der Bodenbelag 2 besteht dabei aus einem Tep­ pich 3 und aus einer zwischen Teppich 3 und Fahrzeugboden 1 an­ geordneten Unterlage 4. Der Teppich 3 weist auf einer einem Fahrzeuginnenraum 5 zugewandten Oberseite 6 eine entsprechend ästhetischen Gesichtspunkten gestaltete, gegenüber mechanischen Belastungen widerstandsfähige Struktur auf. Auf einer Untersei­ te 7 ist der Teppich 3 üblicherweise mit der Unterlage 4, bei­ spielsweise durch eine Verklebung oder ein An- oder Aufschmel­ zen fest verbunden.

Die Unterlage 4 weist auf ihrer dem Fahrzeugboden 1 zugewandten Oberfläche üblicherweise eine dreidimensionale Negativform der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Fahrzeugbodens 1 auf. Durch diese Maßnahme ergibt sich für den Bodenbelag 2 zumindest in Schubrichtung ein effektiver Formschluß. Außerdem kann da­ durch über den gesamten Bodenbelag 2 eine etwa 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 Δ über die gesamte Eahrzeugbodenfläche gemit­ telt, so daß der Abstand Δ einem Abstandsmittelwert ent­ spricht.

Um aus dem Fahrzeugboden 1 und dem Teppich 3 ein durch die Un­ terläge 4 gekoppeltes Doppelwandsystem zu erzeugen, müssen die Steifigkeiten bzw. die E-Moduli von Fahrzeugboden 1, Teppich 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 Stei­ figkeit bzw. der E-Modul des Teppichs 3 aufgrund der zu erzie­ lenden 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 vorgenannten Materialien weist je­ doch die Unterlage 4 einen erheblich niedrigeren E-Modul bzw. eine wesentlich kleinere Steifigkeit als der Fahrzeugboden 1 und der ggf. durch die Versteifungsschicht 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 Doppelwandsystem ausgebildet ist, kann der Abstand Δ in Analogie zu folgender Näherungsgleichung be­ stimmt werden:

wobei

mit:
f_R = Doppelwandresonanzfrequenz,
N_U = Proportionalitätsfaktor (abhängig vom Unterlagenmaterial),
Δ = 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 Frequenz, oberhalb der Schallwellen, die von außen auf das durch Fahr­ zeugboden 1 und Unterlage 2 gebildete Doppelwandsystem einwir­ ken, eine erhebliche Dämmung erfahren. Unterhalb der Doppel­ wandresonanzfrequenz f_R ist die Dämmungswirkung des Doppelwand­ systems erheblich niedriger, so daß das Doppelwandsystem im Prinzip wie ein Tiefpaßfilter wirkt und oberhalb der Doppel­ wandresonanzfrequenz f_R eine Breitbandwirkung hinsichtlich der Schallisolierung entfaltet.

Für den in der obigen Näherungsgleichung verwendeten Proportio­ nalitätsfaktor N_U ergibt sich ein Wert von etwa 600, wenn der E-Modul der Unterlage 4 etwa mit dem E-Modul von Luft überein­ stimmt und wenn zusätzlich der Abstand Δ zwischen Teppich 3 und Fahrzeugboden 1 mit der Einheit Zentimeter in die Nähe­ rungsgleichung eingesetzt wird.

Unter Berücksichtigung der obigen Näherungsgleichung ergeben sich für die Gestaltung des Schallschutzes bzw. der Schalldämmung im Bereich des Fahrzeugbodens eine Vielzahl von Variati­ onsmöglichkeiten.

Um die Doppelwandresonanzfrequenz f_R in Richtung kleinerer Fre­ quenzen zu verschieben, kann beispielsweise die Gesamtflächen­ massendichte des Doppelwandsystems vergrößert werden, was aber aufgrund der auch bei herkömmlichen Auslegungsverfahren verwen­ deten Massengesetze zu erwarten war. Überraschenderweise hat die Veränderung des Abstandes Δ jedoch einen gleichrangigen Einfluß auf die Doppelwandresonanzfrequenz f_R.

Darüber hinaus macht sich der Einfluß des Abstandes Δ deutlich 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 Doppelwandsy­ stems eingehen. Dies hat zur Folge, daß beispielsweise ein dop­ pelter Abstand Δ einen erheblich stärkeren Einfluß auf die Doppelwandresonanzfrequenz f_R ausübt, als eine Verdoppelung der Masse des Teppichs 2 bzw. dessen Flächenmassendichte 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 Fahrzeug­ bodens 1. Demnach ergibt sich eine besonders gute Dämmungswir­ kung, das heißt eine relativ niedrige Doppelwandresonanzfre­ quenz f_R, wenn die Flächenmassendichten m_T und m_B von Teppich 3 und Fahrzeugboden 1 etwa gleich groß gewählt werden. Dies kann bei einem relativ zu einem schweren Ausgangsfahrzeugboden ex­ trem leichten Fahrzeugboden 1 auch dazu führen, daß sich die Dämmungswirkung des Doppelwandsystems 1, 2 verbessern läßt, wenn der Teppich 3 relativ zum Teppich des Ausgangsfahrzeugbo­ dens leichter ausgebildet wird. Diese Erkenntnis widerspricht somit den eingangs geschilderten akustischen Auslegungsmetho­ den, die sich streng an den Massengesetzen orientieren.

Claims (9)

1. Schallisolierender Bodenbelag für den Innenraum eines Fahr­ zeuges, mit einer Unterlage (4), die auf dem Fahrzeugboden (1) aufliegt, und mit einem Teppich (3), der auf der Unterlage (4) aufliegt, wobei der E-Modul der Unterlage (4) derart gewählt ist, daß der Fahrzeugboden (1) und der Teppich (3) ein akusti­ sches Doppelwandsystem ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Δ) zwischen Fahrzeugboden (1) und Teppich (3) in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Wert für die Doppel­ wandresonanzfrequenz (f_R) des Doppelwandsystems bestimmt ist.

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 Doppelwandresonanzfre­ quenz (f_R) der Abstand (Δ) zwischen Teppich (3) und Fahrzeugbo­ den (1) in Abhängigkeit der Flächenmassendichte (m_B) des Fahr­ zeugbodens (1) und der Flächenmassendichte (m_T) des Teppichs (3) bestimmt wird, wobei der Abstand (Δ) 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 Negativab­ druckes an die dreidimensionale Oberflächenstruktur des Fahr­ zeugbodens (1) angepaßt ist, wobei als Abstand (4) zwischen Fahrzeugboden (1) und Teppich (3) ein über die Fahrzeugbo­ denoberfläche ermittelter 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 (Δ) 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 Unterlagenmaterial),
Δ = 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 Proportionalitätsfak­ tor (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 (Δ) zwischen Teppich (3) und Fahrzeugboden (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), Verstei­ fungsschicht (8) und Teppich (3) als ein separat montierbares Bauteil ausgebildet sind.