DE60210220T2

DE60210220T2 - Doppelwandige Dämpfungsstruktur

Info

Publication number: DE60210220T2
Application number: DE60210220T
Authority: DE
Inventors: c/o Kobe Corporate Research Hiroki Nishi-ku Kobe-shi Ueda; c/o Kobe Corporate Research Ichiro Nishi-ku Kobe-shi Yamagiwa; c/o Kobe Corporate Research Akio Nishi-ku Kobe-shi Sugimoto; c/o Kobe Corporate Research Toshimitsu Nishi-ku Kobe-shi Tanaka; c/o Chofu Plant Narikazu Shimonoseki-shi Hashimoto; c/o Chofu Plant Takashi Shimonoseki-shi Oka
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: EP1266815B1; US6708626B2; EP1607298A2; EP1607298A3; EP1266815A1; US20030000417A1; DE60210220D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dämpfungsstruktur, die für einen Abschnitt zum Verhindern eines Schwingungslärms verwendet wird oder einen Abschnitt, der erforderlich ist, um durch Dämpfung einen Lärm von einer Geräuschquelle zu verhindern.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die ungeprüfte japanische Patentoffenlegung Nr. 7-164584 offenbart ein tragwerkartiges Dämpfungsstrukturmaterial mit zwei Flächenplatten und geneigten Rippen zum Verbinden der Flächenplatten, wobei ein Dämpfungsharz an entweder die Rippen oder die Flächenplatten oder an beide angebracht ist. Da das Dämpfungsstrukturmaterial tragwerkartig ist, hat es eine hohe Querschnittssteifigkeit und kann somit eine geräuschdämmende Wirkung erhöhen, wenn ein Dämpfungsharz angebracht ist. Deshalb ist das Dämpfungsstrukturmaterial als eine Transportstruktur für beispielsweise Schienenfahrzeuge oder dergleichen geeignet.
Bei der in der vorstehenden Veröffentlichung offenbarten tragwerkartigen Struktur, wie sie in den 17a, 17b und 17c gezeigt ist, werden dreieckige Löcher durch zwei angrenzende Rippen und Flächenplatten definiert. Wenn sich eine Verformung von einer der Flächenplatten durch die Rippen auf die andere Flächenplatte überträgt, werden Verformungen der zwei Rippen an der Spitze jedes Dreiecks kombiniert, und somit werden Ladungen durch die Rippen in der Normalenrichtung auf die Flächenplatten aufgebracht, d.h., senkrecht zu den Flächenplatten, um die Flächenplatten (bezogen auf einen Pfeil in der Zeichnung) hoch zu drücken, wobei die Schwingungsübertragung erhöht wird. Außerdem hat die tragwerkartige Struktur eine hohe Steifigkeit und eine geringe Querschnittsverformung zum Verstärken dieses Phänomens.
Da die tragwerkartige Struktur eine geringe Querschnittsverformung bewirkt, wird ein Dämpfungsmaterial 5, das an jede der Rippen und der Flächenplatten angebracht ist, weniger verformt. Die Dämpfungswirkung kann nicht wirksam entfaltet werden, bis sich die Frequenz in einem Bereich befindet, bei dem die Rippen und die Flächenplatten voneinander unabhängig verformt werden.
Die US 5,664,826 bezieht sich auf einen Anhänger mit leichten Wänden, die aus inneren und äußeren Wänden aufgebaut sind, die durch Zwischenwände verbunden werden, die in einer relativ zu den inneren und äußeren Wänden rechtwinkligen Anordnung positioniert sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung der vorstehenden Probleme erreicht. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Dämpfungsstruktur zu erhalten, die einen Strukturhauptkörper mit einer Struktur hat, die eine Schwingung weniger überträgt, und die eine Dämpfungsfunktion wirksam entfaltet, wenn eine Dämpfungsbehandlung mit einem Dämpfungsmaterial durchgeführt wird, und die dazu im Stande ist, eine notwendige Querschnittssteifigkeit sicherzustellen. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Form und Struktur zum wirksamen Entfalten der geräuschisolierenden Wirkung eines Strukturkörpers vorzusehen.
Eine erfindungsgemäße Dämpfungsstruktur ist eine doppelwandige Dämpfungsstruktur mit zwei parallelen Flächenplatten und einer Vielzahl von Rippen, die sich zum Verbinden der zwei parallelen Flächenplatten in der gleichen Richtung erstrecken, wobei bei einem Schnitt rechtwinklig zur Erstreckungsrichtung der Rippen, alle oder die meisten der Löcher, die durch die Flächen der angrenzenden zwei Rippen und der Innenflächen der Flächenplatten definiert sind, viereckig sind.
Bei der erfindungsgemäßen doppelwandigen Dämpfungsstruktur wird weniger Schwingung übertragen, weil Verformungen von mehreren Rippen nicht an der Verbindungsstelle der Rippe und der Flächenplatte kombiniert werden. Somit wird die Dämpfungsfunktion wirksam entfaltet, wenn eine Dämpfungsbehandlung durchgeführt wird, wobei ein Schwingungslärm mehr als bei einem herkömmlichen Beispiel verhindert wird.
Bei der doppelwandigen Dämpfungsstruktur gemäß einem Aspekt der Erfindung sind alle oder die meisten der Rippen relativ zu den zwei Flächenplatten geneigt, und bei einem Schnitt rechtwinklig zu der Erstreckungsrichtung der Rippen sind alle oder die meisten der Löcher, die durch die angrenzenden zwei Rippen und die Innenflächen der Flächenplatten definiert sind, trapezförmig.
Die Löcher, die durch die angrenzenden zwei Rippen und eine der Flächenplatten definiert sind, sind dreieckig, und die Löcher, die durch zwei angrenzende Rippen und beide Flächenplatten definiert sind, sind trapezförmig. In jedem der trapezförmigen Löcher ist ein Raum zwischen den Verbindungsstellen jeder Rippe und einer der Flächenplatten ausgebildet. Bei der Anmeldung bedeutet „die meisten" einen „Großteil", d.h., mehr als 50%. Vorzugsweise sind nicht weniger als zwei Drittel, insbesondere vorzugsweise im Wesentlichen alle der Löcher viereckig, zum Beispiel trapezförmig. Mit „im Wesentlichen alle" ist gemeint, dass alle, außer nur ein paar einzelner Abschnitte der Struktur, wie zum Beispiel die Endabschnitte, viereckig sind.
Bei der vorstehend beschriebenen doppelwandigen Dämpfungsstruktur wird weniger Schwingung übertragen, und darüber hinaus kann eine Querschnittssteifigkeit als eine Struktur sichergestellt werden.
Bei der vorstehend beschriebenen doppelwandigen Dämpfungsstruktur sind, wenn eine Vielzahl von dreieckigen Löchern, die durch die Flächen der angrenzenden zwei Rippen und die Innenflächen der Flächenplatten definiert sind, anders als die trapezförmigen Löcher in einem zu der Erstreckungsrichtung der Rippen senkrechten Schnitt gegenwärtig ist, sind alle der Innenflächen der dreieckigen Löcher vorzugsweise in nur einer der Flächenplatten enthalten.
Bei der vorstehend beschriebenen doppelwandigen Dämpfungsstruktur befinden sich die trapezförmigen Löcher vorzugsweise zwischen den jeweiligen dreieckigen Löchern in einem zu der Erstreckungsrichtung der Rippen senkrechten Schnitt, wenn eine Vielzahl von dreieckigen Löchern, die durch die Flächen der angrenzenden zwei Rippen und die Innenflächen der Flächenplatten definiert sind, anders als die trapezförmigen gegenwärtig sind.
Bei der vorstehend beschriebenen doppelwandigen Dämpfungsstruktur kann in einem zur Erstreckungsrichtung der Rippen senkrechten Schnitt ein Dreieck durch die Flächen der angrenzenden zwei Rippen und die Innenflächen der zwei Flächenplatten nur an beiden Enden in der Richtung der Breite definiert sein.
Durch Kombinieren einer Vielzahl der vorstehend beschriebenen doppelwandigen Dämpfungsstrukturen als Einheiten in Richtung der Breite ist es möglich, eine breite doppelwandige Dämpfungsstruktur auszubilden, die zwei parallele Flächenplatten und eine Vielzahl von sich in die gleiche Richtung erstreckenden Rippen zum Verbinden der beiden Flächenplatten aufweist.
Ein Dämpfungsmaterial kann an jede einzelne oder an beide der Flächenplatten und der Rippen angebracht werden, oder es können die Aussparungen zwischen den Flächenplatten je nach Anforderung mit einem Dämpfungsmaterial, wie beispielsweise einem Dämpfungsharzschaummaterial oder dergleichen, gefüllt sein.
Die doppelwandige Dämpfungsstruktur kann ein extrudiertes Erzeugnis aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, oder ein geformtes Erzeugnis aus einem Harz, oder hauptsächlich aus Harz bestehend, sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a, 1b und 1c sind Schnittansichten der erfindungsgemäßen doppelwandigen Dämpfungsstruktur.
2a, 2b und 2c sind Schnittansichten von doppelwandigen Dämpfungsstrukturen gemäß anderer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
3a, 3b und 3c sind Schnittansichten von doppelwandigen Dämpfungsstrukturen gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
4a und 4b sind Schnittansichten von doppelwandigen Dämpfungsstrukturen gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
5a, 5b, 5c und 5d sind schematische Schnittansichten, die doppelwandige Dämpfungsstrukturen zeigen, die für einen Schwingungstest verwendet werden.
6 ist eine schematische Zeichnung, die den Schwingungstest darstellt.
7 ist ein Graph, der die Ergebnisse des Schwingungstests zeigt.
9b und 9d sind schematische Schnittansichten, die doppelwandige Dämpfungsstrukturen zeigen, die als Analysegegenstände bei einem Finite-Elemente-Verfahren verwendet werden.
10b und 10d sind Diagramme, die die Analyseergebnisse der Verformungsart einer doppelwandigen Dämpfungsstruktur zeigen.
11 ist eine schematische Schnittansicht, die doppelwandige Geräuschisolationsstrukturen zeigt, die als ein Analysegegenstände bei einem Finite-Elemente-Verfahren verwendet werden.
12 ist eine Zeichnung, die Analysearten der in 11 gezeigten Strukturen zeigt.
13a, 13b und 13c sind Zeichnungen, die die Analyseergebnisse der Verformungsart der doppelwandigen Geräuschisolierungsstruktur zeigen.
14 ist eine Zeichnung, die die Analyseergebnisse der Verformungsart schematisch darstellt.
15a, 15b und 15c sind Schnittansichten von herkömmlichen Dämpfungsstrukturen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Eine erfindungsgemäße doppelwandige Dämpfungsstruktur ist unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 detailliert beschrieben.
1(a) zeigt eine doppelwandige Dämpfungsstruktur mit zwei parallelen Flächenplatten 1 und 2 und einer Vielzahl von Rippen (geneigte Rippen 3 und vertikale Rippen 4) zum Verbinden der zwei Flächenplatten 1 und 2, die sich in die gleiche Richtung erstrecken. In der Schnittform weisen die Löcher, die durch die angrenzenden zwei Rippen und die Flächenplatten ausgebildet sind, an beiden Enden in der Richtung der Breite dreieckige Löcher und trapezförmige Löcher auf, die in dem Zwischenabschnitt zwischen beiden Enden ausgebildet sind. 1(b) zeigt einen Aufbau, bei dem ein Dämpfungsharz 5 an die Flächenplatten 1 und 2 und die Rippen 3 angebracht ist. 1(c) zeigt einen Aufbau, bei dem ein Dämpfungsharz 5 an die Flächenplatte 1 und die Rippen 3 angebracht ist.
Bei der doppelwandigen Dämpfungsstruktur sind die meisten Rippen relativ zu den Flächenplatten geneigt und die meisten Löcher, die durch die angrenzenden zwei Rippen und die Flächenplatten ausgebildet sind, sind in der Schnittgestalt trapezförmig. Der Aufbau mit den trapezförmigen Löchern in seiner Schnittform hat eine geringe Steifigkeit und folglich werden die Flächenplatten und die Rippen leicht verformt, wobei sie, verglichen mit dem Aufbau mit dreieckigen Löchern, Schwierigkeiten bei der Verformungsübertragung durch die Rippen von einer Flächenplatte zu der anderen Flächenplatte verursachen. Auch sind bei dem Aufbau mit den trapezförmigen Löchern die Verbindungsstellen der Rippe und einer der Flächenplatten hinsichtlich der angrenzenden zwei Rippen beabstandet, und somit drücken auf die Flächenplatten aufgebrachte Lasten die Flächenplatten in der senkrechten Richtung leicht aufwärts. Deshalb wird eine Schwingung verglichen mit der herkömmlichen tragwerkartigen Struktur vermindert. Desweiteren bewirken die Flächenplatten und die Rippen leicht eine Biegeverformung, um die Dämpfungswirkung eines Dämpfungsmaterials wirksam zu entfalten. Bei dem Aufbau mit den trapezförmigen Löchern kann eine notwendige Querschnittssteifigkeit durch die geneigten Rippen sichergestellt werden.
Die doppelwandige Dämpfungsstruktur hat zum Beispiel ein extrudiertes Material aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, oder ein geformtes Erzeugnis, das aus Harz oder hauptsächlich aus Harz besteht. Andere Rohmaterialien, wie beispielsweise Kupfer und dergleichen, können verwendet werden. Obwohl die Flächenplatten 1 und 2 und die Rippen 3 und 4 in den 1a, 1b und 1c einstückig verbunden sind, können diese Bauteile durch Schweißen, Kleben oder ähnliches integriert werden.
Die 2(a) bis 2(c) zeigen eine doppelwandige Dämpfungsstruktur gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dieser doppelwandigen Dämpfungsstruktur sind mehr als die Hälfte der Löcher, die durch die angrenzenden zwei Rippen und die Flächenplatten definiert sind, in einem zu der Erstreckungsrichtung der Rippen senkrecht genommenen Schnitt trapezförmig und andere Löcher sind dreieckig. Alle Spitzen (die Bodenflächen haben jeweils Abschnitte einer Flächenplatte 1) der dreieckigen Löcher, die durch die angrenzenden Rippen 3 definiert sind, sind an einer Flächenplatte 2 positioniert, und die dreieckigen Löcher sind durch die dazwischen vorgesehenen trapezförmigen Löcher beabstandet.
Da die meisten Löcher in der Schnittform der doppelwandigen Dämpfungsstruktur trapezförmige Löcher sind, die durch die zwei Rippen und die Flächenplatten definiert sind, wird die gleiche Wirkung und Funktion wie die der in den 1a, 1b und 1c gezeigten doppelwandigen Dämpfungsstrukturen entfaltet. Einige der Löcher in der Schnittform in der doppelwandigen Dämpfungsstruktur sind dreieckige Löcher, wo die Struktur eine hohe Steifigkeit hat. Jedoch wird, da alle Spitzen der dreieckigen Löcher, die durch die angrenzenden Rippen 3 definiert sind, an der Seite der Flächenplatte 2 positioniert sind, eine Last, die die Flächenplatte 1 in der senkrechten Richtung aufwärts drückt, nicht von den Rippen 3 auf die Flächenplatte 1 aufgebracht, wenn eine Geräuschquelle nahe der Flächenplatte 2 positioniert ist. Deshalb kann die Schwingungsübertragung zu der Aufenthaltsseite (von der Seite der Flächenplatte 2 zu der Seite der Flächenplatte 1) verhindert werden. Außerdem definieren die geneigten Rippen 3, die die dreieckigen Löcher definieren, ebenso die angrenzenden trapezförmigen Löcher in der Schnittform, wobei sie zu der Verhinderung der Schwingungsübertragung beitragen.
3 zeigt eine doppelwandige Dämpfungsstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben Löcher, die in der Schnittform durch die angrenzenden Rippen und Flächenplatten definiert sind, dreieckige Löcher an beiden Seiten in der Richtung der Breite, und trapezförmige Löcher in dem Zwischenabschnitt zwischen beiden Enden. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den in den 1a, 1b und 1c gezeigten doppelwandigen Dämpfungsstrukturen dadurch, dass die Formen der trapezförmigen Löcher nicht gleich bleibend sind. Jedoch ist die Funktion dieses Ausführungsbeispiels die gleiche, wie die in den 1a, 1b und 1c gezeigte. Die vertikalen Rippen 4, die an beiden Enden in der Richtung der Breite ausgebildet sind (auf die gleiche Weise wie bei 1a, 1b und 1c), sind von dem Gesichtspunkt der Befestigung und des Einbaus der doppelwandigen Dämpfungsstruktur ausgebildet, und nicht von dem Gesichtspunkt der Dämpfungsfunktion.
Wenn eine breite doppelwandige Dämpfungsstruktur benötigt wird, wird eine schmale doppelwandige Dämpfungsstruktur als eine Einheit verwendet, und eine Vielzahl der Einheiten wird in der Richtung der Breite kombiniert. Wenn zum Beispiel ein aus einer Aluminiumlegierung extrudiertes Material verwendet wird, ist es realistisch eine Vielzahl von Einheiten in Richtung der Breite zu kombinieren, weil ein extrudierbarer Bereich von dem Gesichtspunkt der Herstellung her begrenzt ist. Um eine Vielzahl von Einheiten in der Richtung der Breite zu verbinden, können Schweißen, Kleben oder andere Verbindungseinrichtungen geeigneter Weise verwendet werden.
Die doppelwandige Dämpfungsstruktur der Erfindung kann als ein Teil eines Strukturbauteils in der Richtung der Breite verwendet werden, das zwei parallele Flächenplatten und eine Vielzahl von Rippen aufweist, die sich zum Verbinden der Flächenplatten in die gleiche Richtung erstrecken. Zum Beispiel sind bei dem in 4 gezeigten Strukturbauteil herkömmliche tragwerkartige Strukturen an beiden Enden in der Richtung der Breite ausgebildet, und die doppelwandige Dämpfungsstruktur der Erfindung ist in der Richtung der Breite in dem Zwischenabschnitt zwischen beiden Enden ausgebildet. Das Strukturbauteil in 4a kann zum Beispiel ein einstückig extrudiertes Material aufweisen. Wie es in 4b gezeigt ist, können vier Strukturmaterialien (zwei Zwischenmaterialien, wobei jedes die doppelwandige Dämpfungsstruktur der Erfindung aufweist), wobei jedes ein extrudiertes Material aufweist, zum Ausbilden eines einstückigen Strukturbauteils als eine Einheit verbunden werden.
Bei der doppelwandigen Dämpfungsstruktur der Erfindung ist die Schnittform bei jeder Position in der Richtung der Länge (senkrecht zu der Zeichnung) im Wesentlichen konstant. Hier bedeutet „im Wesentlichen konstant", dass die Gesamtbreite über die Gesamtlänge in der Richtung der Länge nicht konstant sein braucht, und die Schnittform einen breiten Abschnitt und einen schmalen Abschnitt in der Richtung der Länge haben kann.
(Beispiel 1)
Ein Experiment wurde bezüglich der Dämpfungsfunktion der doppelwandigen Dämpfungsstruktur der Erfindung ausgeführt. Die Strukturgegenstände des Experiments hatten die in den 5a, 5b, 5c und 5d gezeigten Strukturen. Die in 5a gezeigte Struktur war ein aus einer Aluminiumlegierung extrudiertes Material mit zwei Flächenplatten mit einer Dicke von 2 mm, mit Rippen mit einer Projektionslänge (an die Flächenplatte projiziert) von 37.5 mm und einer Dicke von 2 mm und mit vertikalen Rippen an beiden Enden und der Mitte. Die Struktur hatte eine Dicke von 30 mm und eine Breite von 600 mm. In der Schnittform hatte sie dreieckige Löcher an beiden Enden und trapezförmige Löcher, die eine lange Unterseite mit einer Länge von 100 mm und eine kurze Unterseite mit einer Länge von 25 mm hatten. Die in 5b gezeigte Struktur hatte ein extrudiertes Material, wie es in 5a gezeigt ist, und ein Dämpfungsharz mit einer Dicke von 3 mm, das an jede Flächenplatte und jede Rippe angebracht ist. Die in 5c gezeigte Struktur war ein tragwerkartiges, aus einer Aluminiumlegierung extrudiertes, Material mit zwei Flächenplatten mit einer Dicke von 2 mm und Rippen mit einer Dicke von 2 mm. Die Struktur hatte eine Dicke von 30 mm und eine Breite von 600 mm. Die Rippenteilung der Struktur war 37,5 mm. Die in 5d gezeigte Struktur hatte ein extrudiertes Material, wie es in 5c gezeigt ist, und ein Dämpfungsharz mit einer Dicke von 3 mm, das an jede Flächenplatte und jede Rippe angebracht ist.
Jede dieser Strukturen wurde durch das in 6 gezeigte Verfahren einem Schwingungstest unterzogen. Es wurden nämlich beide Enden der Struktur befestigt, und ein Abschnitt von einer der Flächenplatten wurde durch eine Schwingungseinrichtung 7 mittels einem Impedanzkopf 6 gestützt. Erregerkraftsignallinien und eine durch den Impedanzkopf 6 gemessene Schwingungsgeschwindigkeit wurden durch einen Ladungsverstärker 8 mit einer Frequenzanalyseeinheit 9 verbunden. Der Impedanzkopf 6 enthält eine Ladungszelle und eine piezoelektrische Beschleunigungsüberwachungseinrichtung und diente als ein Sensor zum gleichzeitigen Messen der Erregerkraft und der Schwingung.
Die Wellenschwingung wurde durch die Schwingungseinrichtung während eines kontinuierlichen Änderns der Frequenz von 500 Hz bis 3000 Hz erzeugt, um die Schwingungsgeschwindigkeit und Erregerkraft durch den Impedanzkopf 6 zu messen. Das Verhältnis von Schwingungsgeschwindigkeit/Erregerkraft wurde aus der gemessenen Schwingungsgeschwindigkeit und Erregerkraft durch die Frequenzanalyseeinheit 9 berechnet und dann ausgegeben. Die erhaltenen Ergebnisse sind in den 7 und 8 gezeigt.
7, die die Ergebnisse der Strukturen ohne Dämpfungsbehandlung zeigt, zeigt an, dass die in 5a gezeigte doppelwandige Dämpfungsstruktur der Erfindung, verglichen mit der in 5c gezeigten tragwerkartigen Struktur, eine große Schwingungsdämpfung entfaltet. 8, die die Ergebnisse der Strukturen mit Dämpfungsbehandlung zeigt, zeigt an, dass die in 5b gezeigte doppelwandige Dämpfungsstruktur der Erfindung und die in 5d gezeigte tragwerkartige Struktur einen großen Unterschied aufweisen, und die Wirkung der Dämpfungsfunktion des Dämpfungsmaterials wird bedeutsamer Weise entfaltet.
(Beispiel 2)
Wenn eine akustische Welle mit einer Frequenz von nicht weniger als der charakteristischen Frequenz der Flächenplatten auf eine der Flächenplatten einer doppelwandigen Dämpfungsstruktur trifft, vibriert die doppelwandige Dämpfungsstruktur in einer vorgegebenen Verformungsart. Die Verformungsart wurde durch ein Finite-Elemente-Verfahren analysiert. Die Analyseergebnisse wurde mit denen einer herkömmlichen tragwerkartigen Struktur verglichen.
Die Strukturgegenstände der Analyse waren die in den 5b und 5d gezeigten Strukturen. Zur Analyse hatte eine Aluminiumlegierung ein E-Modul von 69 GPa, eine Dichte ρ von 2700 kg/m³, und das Dämpfungsharz hatte ein E-Modul von 2 GPa und eine Dichte von ρ von 1500 kg/m³.
Für jede dieser Strukturen wurde das in 9 gezeigte Model zur Analyse durch das Finite-Elemente-Verfahren ausgebildet, bei dem Knotenpunkte a und b, wie es in 9 gezeigt ist, befestigt wurden, und eine Schwingung an dem Knotenpunkt c von einer der Flächenplatten erzeugt wurde, um jede der Strukturen zu vibrieren. Bei der in 5b gezeigten Struktur war die Schwingungsfrequenz 1880 Hz, während bei der in 5b gezeigten Struktur die Schwingungsfrequenz 1640 Hz war.
10 zeigt das Ergebnis der Analyse. Die 10b und 10d zeigen jeweils Verformungsarten der in den 5b und 5d gezeigten Strukturen während der Schwingung. Bei 10b wird die Schwingung verglichen mit dem in 10d gezeigten Fall bedeutend gedämpft.
Eine andere Art von erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist nachstehend beschrieben. Da die Ausführungsbeispiele beim Geräuschisolieren besonders wirksam sind, werden sie nachstehend doppelwandigen Geräuschisolationsstrukturen zugeordnet.
Wie es in 11 dargestellt ist, hat eine doppelwandige Geräuschisolationsstruktur der Erfindung zwei parallele Flächenplatten 11 und 12 mit einer gleichen Dicke und eine Vielzahl vertikaler Rippen 13, die sich parallel mit einer gleichen Teilung in der Richtung der Länge (senkrecht zu der Zeichnung) erstrecken, um die zwei Flächenplatten 11 und 12 in der vertikalen Richtung zu verbinden. Bei der Geräuschisolationsstruktur ist die Schnittform im Wesentlichen an jeder Position in Richtung der Länge (senkrecht zu der Zeichnung) konstant. Hier bedeutet „im Wesentlichen konstant", dass die Gesamtbreite nicht über die Gesamtlänge in der Richtung der Länge konstant sein muss, und die Schnittform kann einen breiten Abschnitt und einen schmalen Abschnitt in der Richtung der Länge haben.
Die doppelwandige Geräuschisolationsstruktur hat zum Beispiel ein extrudiertes Material aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, oder ein geformtes Erzeugnis, das aus Harz oder hauptsächlich aus Harz besteht. Andere Rohmaterialien, wie zum Beispiel Kupfer und dergleichen, können verwendet werden. Die Flächenplatten 11 und 12 haben die gleiche Qualität und gleichen Eigenschaften, während die Rippen 3 nicht notwendigerweise die gleiche Qualität oder die gleichen Eigenschaften wie die Flächenplatten 11 und 12 haben. Obwohl die Flächenplatten 11 und 12 und die Rippen 13 in 11 einstückig verbunden sind, können diese Bauteile durch Schweißen, Kleben oder dergleichen integriert werden.
Die 12a, 12b, 12c und 12d zeigen Beispiele der doppelwandigen Geräuschisolationsstruktur, bei der ein Dämpfungsharz 14 an den Flächenplatten 11 und 12 oder den Rippen 13 angebracht ist. Wie es in der vorstehend beschriebenen japanischen ungeprüften Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-164584 offenbart ist, können Asphaltharze, ein butylgummiartiger Spezialsynthetikgummi und Ähnliches als das Dämpfungsharz 14 verwendet werden. Diese Harze können durch Kleben oder Wärmeschmelzen an die Flächenplatten 11 und 12 oder die Rippen 13 angebracht werden. Das kann die Dämpfungsfunktion der doppelwandigen Geräuschisolationsstruktur weiter verbessern, wodurch die Geräuschisolationswirkung erhöht wird. Auch können die hohlen Abschnitte der doppelwandigen Geräuschisolationsstruktur mit einem Dämpfungsmaterial, wie beispielsweise einem Harzschaumdämpfungsmaterial oder Ähnlichem, gefüllt werden.
Der Mittelteil der vorstehenden Gleichung (1) stellt die niedrigstwertige charakteristische Frequenz f der Flächenplatten 11 und 12 der doppelwandigen Geräuschisolationsstruktur dar. Es werden nämlich bei der Erfindung die Materialqualität und Dicke jeder der Flächenplatten so gesetzt, dass die charakteristische Frequenz f der Flächenplatten in einem Bereich von 250 bis 5000 Hz liegt. Wenn eine akustische Welle mit einer Frequenz der charakteristischen Frequenz f oder mehr auf eine der Flächenplatten der doppelwandigen Geräuschisolationsstruktur auftrifft, bewirkt die doppelwandige Geräuschisolationsstruktur eine charakteristische Schwingung in einer vorbestimmten Verformungsart. Die Verformungsart wurde durch ein Finite-Elemente-Verfahren analysiert. Ein Vergleich der Ergebnisse mit einer herkömmlichen tragwerkartigen Struktur ist nachstehend beschrieben.
Strukturgegenstände der Analyse sind in den 13a, 13b und 13c gezeigt. Die in 13a gezeigte Struktur war ein aus einer Aluminiumlegierung extrudiertes Material mit zwei Flächenplatten mit einer Dicke von 2 mm und Rippen mit einer Dicke von 1,5 mm. Die Struktur hatte eine Dicke von 30 mm, eine Breite von 600 mm und eine Rippenteilung von 75 mm. Die in 13b gezeigte Struktur hatte ein extrudiertes Material, wie es in 13a gezeigt ist, und ein Dämpfungsharz mit einer Dicke von 3 mm, das an jede Flächenplatte und jede Rippe angebracht ist. Die in 13c gezeigte Struktur war ein tragwerkartiges, aus einer Aluminiumlegierung extrudiertes, Material mit zwei Flächenplatten mit einer Dicke von 2 mm und Rippen mit einer Dicke von 2 mm. Die Struktur hatte eine Dicke von 30 mm und eine Breite von 600 mm und eine Rippenteilung von 37,5 mm. Eine Aluminiumlegierung hatte ein E-Modul von 69 GPa, eine Dichte ρ von 2700 kg/m³ und das Dämpfungsharz hatte ein E-Modul von 2 GPa und eine Dichte ρ von 1500 kg/m³.
Für diese Strukturen wurden die in den 14a bis 14c gezeigten Modelle zur Analyse durch das Finite-Elemente-Verfahren ausgebildet, bei dem die Knotenpunkte a und b befestigt waren, und ein Knotenpunkt c einer Flächenplatte zum Schwingen jeder Struktur von unten erregt wurde. Die Knotenpunkte stellen Punkte bei dem Analysemodell für das Finite-Elemente-Verfahren dar. Die 14a bis 14c entsprechen jeweils den 13a bis 13c.
Bei den in den 13a und 13b gezeigten Fällen war die Schwingungsfrequenz 2200 Hz und bei dem in 13c gezeigten Fall war die Frequenz 2030 Hz. Beide Frequenzen lagen nahe bei der höherwertigen charakteristischen Frequenz.
Die Ergebnisse der Analyse sind in den 15a bis 15c gezeigt. Die 15a bis 15c zeigen jeweils die Verformungsarten der in den 13a bis 13c gezeigten Strukturen während einer Schwingung. Bei der Struktur von 15a werden die oberen und unteren Flächenplatten in der gleichen Weise verformt und die Verformung breitet sich regelmäßig in die seitliche Richtung aus. Bei der Struktur von 15b wird die Form der Struktur im Wesentlichen beibehalten, aber die Amplitude wird gedämpft. Bei der Struktur von 5c werden beide Flächenplatten auf vollkommen unterschiedliche Arten verformt, und die Verformung breitet sich unregelmäßig in die seitliche Richtung aus.
16 zeigt schematisch die in 15a gezeigte Verformungsart während einer Schwingung. Bei der Verformungsart der oberen Flächenplatte in Bezug auf die Geräuschabstrahlung, ist die Verformung (oberhalb einer gestrichelten Linie) bei jeder Rippe symmetrisch zu der Verformung eines Zwischenabschnitts (unterhalb der gestrichelten Linie). Deshalb, selbst wenn die Schwingung der Flächenplatten eine hohe Amplitude hat, verursacht eine von der Schwingung abgestrahlte akustische Welle eine Aufhebung zwischen angrenzenden Positionen, um die akustische Abstrahlungseffizienz zu vermindern, wobei sie ein Geräusch vermindert. In 15b ist die Verformung nahe jeder Rippe symmetrisch zu einem Zwischenabschnitt, und gleichzeitig wird die Schwingung selbst gedämpft, wobei sie zum Vermindern eines Geräuschs die akustische Abstrahlung weiter vermindert.
Andererseits verursacht die abgestrahlte akustische Welle bei dem in 15c gezeigten Fall keine Aufhebung, wobei sie die akustische Abstrahlungseffizienz nicht vermindern kann, wobei sie kein Geräusch vermindern kann.
Um, wie es vorstehend beschrieben ist, die Aufhebung bei einer akustischen Welle zu bewirken, muss die doppelwandige Geräuschisolationsstruktur durch Verwenden zweier paralleler Flächenplatten mit der gleichen Dicke und durch vertikale Rippen mit einer gleichen Teilung zum Verbinden der Flächenplatten ausgebildet werden. Die Rippen brauchen im mathematischen Sinn nicht senkrecht zu den Flächenplatten zu sein und können in einem wesentlichen Sinn senkrecht zu den Flächenplatten sein (die Rippen dürfen bis zu einer bestimmten Ausdehnung in einem Bereich geneigt sein, bei dem sie keine Auswirkung auf die Geräuschisolationsfähigkeit haben). Auf ähnliche Weise sollten die Anforderungen für die Rippen, parallel mit einer gleichen Teilung angeordnet zu sein, in einem wesentlichen Sinn ausgelegt werden.
Eine Beschreibung wird nun aus dem Grund des Setzens der Materialqualität und -dicke der Flächenplatten und der Rippenteilung getätigt, so dass sich die charakteristische Frequenz f der Flächenplatten bei der doppelwandigen Geräuschisolationsstruktur der Erfindung in einem Bereich von 250 bis 5000 Hz befindet.
Wie es vorstehend beschrieben ist, wenn eine akustische Welle bei einer Frequenz von nicht weniger als der charakteristischen Frequenz f der Flächenplatten auf die doppelwandige Geräuschisolationsstruktur der Erfindung einwirkt, vibriert die Struktur in der vorstehenden Verformungsart, und weist den Geräuschisolationseffekt durch Aufhebung bei der akustischen Welle auf. Und zwar hat die doppelwandige Geräuschisolationsstruktur den Effekt des Geräuschisolierens einer akustischen Welle bei einer Frequenz von der charakteristischen Frequenz f oder mehr. Deshalb kann der Geräuschisolationseffekt durch Kleinsetzen der charakteristischen Frequenz f in einem weiten Frequenzbereich erhalten werden.
Andererseits wird von einem für das menschliche Gehör hörbaren Schwellgeräuschdruckpegel als „der minimal hörbare Schwellwert" gesprochen, der von der Frequenz abhängt. Bei einer Frequenz von 500 Hz oder weniger verschlechtert sich die Hörempfindlichkeit mit abnehmender Frequenz, und insbesondere bei einer Frequenz von 250 Hz oder weniger wird der minimal hörbare Schwellwert erhöht. Deshalb wird es als realistisch erachtet, die charakteristische Frequenz f auf 250 Hz oder mehr zu setzen, um eine Geräuschisolationsstruktur mit einer hohen Effizienz zu erhalten. In Anbetracht von anderen Faktoren, wie beispielsweise der Querschnittssteifigkeit der Struktur etc., kann die Frequenz auf 500 Hz oder mehr gesetzt werden. Bei einer Frequenz von 5000 Hz oder mehr, verschlechtert sich die Hörempfindlichkeit mit zunehmender Frequenz und der minimal hörbare Schwellwert wird erhöht. Deshalb ist es bedeutungslos, die charakteristische Frequenz auf über 5000 Hz zu setzen. Aus diesen Gründen ist bei der doppelwandigen Geräuschisolationsstruktur der Erfindung die charakteristische Frequenz f auf 250 bis 5000 Hz gesetzt. Um den Bereich von 3000 bis 4000 Hz sicher abzudecken, bei dem der minimal hörbare Schwellwert gewöhnlich am niedrigsten wird, wird die charakteristische Frequenz gewöhnlich vorzugsweise auf einen Bereich von 3000 Hz oder weniger oder 2000 Hz oder weniger gesetzt.
Beispiele von für die doppelwandige Dämpfungsstruktur verwendeten Aluminiumlegierungen umfassen Aluminiumlegierungen, die auf den 2000.er Serien-, 5000.er Serien-, 6000.er Serien- und 7000.er Serien-Bestandteilstandards der AA oder JIS basieren. Jedoch können andere Aluminiumlegierungen als die auf den AA oder JIS Standards basierenden Aluminiumlegierungen oder andere Aluminiumlegierungen als die auf den vorstehenden Bestandteilstandards basierenden Aluminiumlegierungen verwendet werden, so lange die Erfordernisse für den Gebrauch als ein Strukturbauteil erfüllt sind.
Des Weiteren kann das aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung extrudierte Material durch eine normale Extrusion hergestellt werden. Zum Beispiel wird eine durch Schmelzen vorbereitete Aluminium- oder Aluminiumlegierungsschmelze durch ein geeignet ausgewähltes normales Gussverfahren (Dissolved-Casting-Verfahren) gegossen und der sich daraus ergebende Gussblock wird homogenisiert und dann einer Extrusion und Tempern unterzogen (Anlassen, Lösungsbehandlung, Altern, Stabilisieren und Ähnliches), damit ein extrudiertes Material ausgebildet wird, das eine vorbestimmte Querschnittsform aufweist. Bei dem extrudierten Material sind vorzugsweise beide Flächenplatten und die Rippen integriert.
Anstelle der Herstellung des extrudierten Materials, bei dem beide Flächenplatten und die Rippen integriert sind, können durch Warmwalzen, Kaltwalzen und Tempern vorbereitete Aluminium- oder Aluminiumlegierungswalzbleche durch Schweißen oder Kleben integriert werden, so dass sie ein Material mit einer vorbestimmten Querschnittsform ausbilden, oder es können extrudierte Materialien und Walzbleche durch Schweißen oder Kleben integriert werden, so dass sie ein Material mit einer vorbestimmten Querschnittsform ausbilden.
Bei dem harzgeformten Erzeugnis kann das Harz entweder ein thermoplastisches Harz oder ein duroplastisches Harz sein. Beispiele von thermoplastischen Harzen sind Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, AS Harze, ABS Harze, Polyvinylchlorid, Polyamid (Nylon), Polyethylenthereptalat, Polybutylenthereptalat, Polycarbonat, Polyacetal, Polyphenylenoxid, Polysulfon, PPS Harze und dergleichen. Beispiele von duroplastischen Harzen sind ungesättigte Polyesterharze, Epoxidharze, Phenolharze, Vinyletherhrze, Polyimidharze, Polyurethan und dergleichen. Das Harz ist nicht auf diese Harze begrenzt. Zusätzlich können zumindest zwei dieser Harze vermengt oder vermischt werden, so lange sie miteinander ausreichend kompatibel sind. Des Weiteren können Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, organische Fasern, wie beispielsweise Nylonfasern, oder dergleichen kombiniert werden, um die mechanischen Eigenschaften der Harze zu verbessern. Diese Fasern können entweder ununterbrochen lange Fasern oder kurze Fasern, die zerspante oder gemahlene Fasern genannt werden, sein. Um die Formbarkeit steuern zu können und die mechanischen Eigenschaften verbessern zu können werden ein Füllstoff, wie beispielsweise ein Kalziumkarbonatpuder, Talk oder Ähnliches, verschiedene Additive werden in einigen Fällen zu der Kombination der Harze und Fasern zugefügt.
Um die doppelwandige Dämpfungsstruktur durch den Gebrauch eines der vorstehenden Harze oder Harzverbundstoffe herzustellen, wird ein im Allgemeinen verwendetes Harzformverfahren verwendet. Jedoch wird insbesondere ein Extrusionsformverfahren vorzugsweise für das thermoplastische Harz oder einen seiner Verbundstoffe verwendet, und ein Pultrusionsformverfahren wird vorzugsweise für das duroplastische Harz oder einen seiner Verbundstoffe verwendet.

Claims

Doppelwandige Dämpfungsstruktur mit: zwei im Wesentlichen parallelen Flächenplatten (1, 2); und einer Vielzahl von Rippen (3), die sich zum Verbinden der zwei im Wesentlichen parallelen Flächenplatten (1, 2) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder die meisten der Rippen relativ zu den beiden Flächenplatten geneigt sind, wobei in einem Schnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Rippen alle oder die meisten der Löcher, die durch die Flächen von angrenzenden zwei Rippen und Innenflächen der Flächenplatten definiert sind, trapezförmig sind.
Doppelwandige Dämpfungsstruktur gemäß Anspruch 1, wobei alle der Innenflächen von dreieckigen Löchern nur von einer der Flächenplatten (1, 2) umfasst werden, wenn eine Vielzahl von dreieckigen Löchern, die durch die Flächen von angrenzenden zwei Rippen (3) und Innenflächen der Flächenplatten (1, 2) definiert sind, anders als die trapezförmigen Löcher in einem Schnitt senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Rippen (3) vorliegen.
Doppelwandige Dämpfungsstruktur gemäß Anspruch 1, wobei in einem zur Erstreckungsrichtung der Rippen (3) senkrechten Schnitt die trapezförmigen Löcher zwischen den jeweiligen dreieckigen Löchern vorliegen, wenn eine Vielzahl von dreieckigen Löchern, die durch die Flächen von angrenzenden zwei Rippen und Innenflächen der Flächenplatten definiert sind, anders als die trapezförmigen Löcher in einem Schnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Rippen vorliegen, wobei die trapezförmigen Löcher zwischen den jeweiligen dreieckigen Löchern vorliegen.
Doppelwandige Dämpfungsstruktur gemäß Anspruch 1, wobei in einem Schnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Rippen (3), dreieckige Löcher durch die Flächen von angrenzenden zwei Rippen (3) und Innenflächen der Flächenplatten (1, 2) nur an beiden Enden in Breitenrichtung definiert sind.
Doppelwandige Dämpfungsstruktur gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Flächenplatten (1, 2, 11, 12) und die Rippen (3, 13) extrudierte Erzeugnisse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sind.
Doppelwandige Dämpfungsstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Flächenplatten (1, 2, 11, 12) und die Rippen (3, 13) geformte Erzeugnisse aus einem Harz oder einem Verbundmaterial, das hauptsächlich aus Harz zusammengesetzt ist, sind.
Doppelwandige Dämpfungsstruktur gemäß irgend einem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Dämpfungsmaterial (5, 14) an zumindest einem Element aus den Flächenplatten (1, 2, 11, 12) und den Rippen (3, 13) angebracht ist.
Doppelwandige Dämpfungsstruktur gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei Hohlabschnitte zwischen den Flächenplatten (1, 2, 11, 12) mit einem Dämpfungsmaterial (5, 14) gefüllt sind.
Doppelwandige Dämpfungsstruktur, die eine Kombination aus einer Vielzahl von doppelwandigen Dämpfungsstrukturen gemäß einem vorhergehenden Anspruch als Einheiten aufweist.