Projekt 27647/01

Entwicklung eines umweltfreundlichen, metallischen Lärm- und Hitzeschildes für LKW-Fahrerhäuser auf der Basis von Poroblech

Projektträger

Kiener Maschinenbau GmbH
Anton-Grimmer-Str. 2
73466 Lauchheim
Telefon: 07363/950-100

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Belastung der Fahrer von LKW ist durch die Einwirkung von Hitze und Lärm besonders im Fernverkehr sehr hoch. Die Quellen der Umweltbelastung in der Fahrerkabine sind der Motor und die angeschlossenen Aggregate. Grund ist die meist unbefriedigende Isolierung der Fahrerkabine gegenüber den Antriebsaggregaten, die sich bei modernen LKW meist unmittelbar unter der Fahrerkabine befinden. Die Entwicklung eines metallischen Lärm- und Hitzeschildes aus Poroblech verspricht hier erhebliche Vorteile gegenüber den heutigen Lösungen.
Kern der angestrebten Lösung ist eine neuartige Erfindung, das so genannte Poroblech. Bei dem patentierten Material handelt es sich um ein auf definierte Dicke gewalztes Metallgewebe, das auf Grund seiner porösen Struktur schalldämpfende Eigenschaft besitzt und in Verbindung mit anderen Materialien sehr gut als Schall- und Hitzeschutzschild eingesetzt werden kann. Im beantragten Projekt soll ein modulares Lärm- und Hitzeschildsystem aus Poroblech entstehen, das sich aus standardisierten Elementen aufbauen lässt. Diese Lösung hat den Vorteil, dass daraus mit geringem Aufwand viele Varianten hergestellt werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt wurde in 4 Phasen unterteilt. Jede Projektphase enthielt mehrere Arbeitspakete:
1 Planung
AP 1.1 Klären der Aufgabenstellung
Im Vorfeld der Entwicklung wurden u.a. Kundenanforderungen hinterfragt. Hierbei wurden auch die Schwachstellen des bisherigen Systems aufgezeigt.
Diese Arbeiten wurden in einem interdisziplinären Team durchgeführt, das zusammengesetzt wird aus Vertretern der Konstruktion, der Fertigung, der Montage und des Projektpartners Spedition Brucker.
AP 1.2 Anforderungsliste
Die im AP 1.1 erarbeiteten Informationen und Unterlagen fanden Eingang in eine Anforderungsliste, die die Basis bildete für die Konzeptphase.
AP 1.3 Detaillierter Terminplan
Zur genauen Planung der zeitlichen Abläufe, der verfügbaren und benötigten Kapazitäten und zur Reservierung der Fertigungsanlagen wurde ein detaillierter Terminplan erstellt.
2 Konzeption
AP 2.1 Teilfunktionen und Baugruppen
Der Schallabsorber besteht aus den Teilsystemen: Absorber und Befestigung / Halterung
AP 2.2 Suche nach Lösungsprinzipien
Für die beiden Teilsysteme wurden basierend auf den Ergebnissen der Ist-Zustandsanalysen Lösungsprinzipien erarbeitet.
Für den Absorber sind insbesondere zu betrachten: Materialien, alternative Sandwich-Bauweisen und Oberflächenstrukturen.
Für die Befestigungssysteme sind die gefundenen Verhältnisse an den LKWs maßgebende Einflussgrößen für die geometrische Auslegung. Grundlegend wurde aber untersucht, wie vermieden werden kann, dass sich Körperschall von den Anbauteilen auf den Absorber übertragen, um zu vermeiden, dass dieser seinerseits zu einer Schallquelle wird. Hierzu wurden spezielle Versuchaufbauten zur Ermittlung des Verlustfaktors der Körperschallweiterleitung bei Einsatz von Poroblech hergestellt.
AP 2.3 Akustische Modellbildung
Untersuchungen zum Wirkprinzip der gefundenen Lösungsprinzipien und Berechnung am PC für ein- und mehrlagige Absorber. Optimierung hinsichtlich der Parameter der Schichtenfolgen für maximale Absorption und minimale Transmission.
AP 2.4 Morphologischer Kasten
Die günstigsten Lösungsprinzipien wurden in einem so genannten morphologischen Kasten zusammengefasst. Hierbei entstand eine Vielzahl von realisierbaren Lösungen, die hinsichtlich Machbarkeit und erwarteter Zielerreichung bewertet werden.
AP 2.5 Konzeptvarianten
Es wurden die aussichtsreichsten Konzeptionen die unterschiedliche Einbauverhältnisse untersucht. Trotz der Vorgabe, einen modularer Aufbau und mögliche bzw. notwendige Standardisierung der Module zu erreichen, zeigte sich sehr schnell die Notwendigkeit einer späteren Variantenkonstruktion.
AP 2.6 Patent- und Schutzrechte
Bestehenden Schutzrechte und eine ergänzende Patent- und Gebrauchsmusterrecherche wurden durchgeführt.
AP 2.7 Anfertigung und schalltechnische Untersuchung von Versuchsmustern
Basierend auf den Vorarbeiten wurden für die aussichtsreichsten Varianten Versuchsmuster hergestellt, die dann im Labor schalltechnisch untersucht wurden.
Ein Abbruch des Projektes wurde aufgrund der Erfolg versprechenden Konzeptionen ausgeschlossen.
AP 2.8 Prototyp
Nach Vermessung der hergestellten Handmuster wurde ein einbaufähiger Prototyp hergestellt und nach Einbau in ein Fahrzeug einem realitätsnahen Praxistest unterzogen. Insbesondere wurden während der Probefahrten Lärm- und Temperaturmessungen in der Kabine vorgenommen und mit identischen Messungen vor Einbau des Schallabsorbers - Prototyps verglichen. Zusätzlich wurde eine Testreihe im Labor der Daimler AG durchgeführt.
AP 2.9 Kundenbefragung
Das Projekt wurde verschiedenen Anwendern vorgestellt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden in das bestehende Konzept eingearbeitet.
AP 2.10 Pflichtenheft
Nach der Festlegung des endgültigen Konzepts und der Berücksichtigung der Kundenwünsche aus der Kundenbefragung wurde die bestehende Anforderungsliste zu einem detaillierten Pflichtenheft erweitert.

3 Entwurf
AP 3.1 Maßstäblicher Entwurf
Im endgültigen maßstäblichen Entwurf wurde das Konzept soweit konkretisiert, dass die notwendigen Fertigungsdokumente wie Einzelteilzeichnungen, Aufbaupläne und CAD-Produktmodelle abgeleitet werden konnten. Dabei zeigte sich auch die Möglichkeit einer Variantenkonstruktion.
AP 3.2 Materialfestlegung und Dimensionierung
Hier erfolgte die Festlegung der zu verwendenden Materialien und die Dimensionierung der Bauteile.
AP 3.3 Festigkeitsberechnungen, Strukturuntersuchungen
Nach Festlegung der wichtigsten Parameter insbesondere für die Befestigungselemente wurden diese auf ihre Belastbarkeit hin überprüft. Dabei wurde festgestellt, dass diese den spezifischen Anforderungen im LKW genügen.
AP 3.4 Fertigungsprüfung
Die vorhandenen Betriebsmittel sind für die Herstellung der Einrichtungsteile geeignet.
AP 3.5 Endgültiger Entwurf
Im endgültigen Entwurf wurden alle Erkenntnisse der Arbeitspakete 3.2 bis 3.4 eingearbeitet.
AP 3.6 Prototypenprüfung
Die Prototypenprüfung berücksichtigte die Vorgaben des vorher festgelegten Erprobungsprogrammes. Aufgrund der gewonnen Erkenntnisse wurde zu diesem Zeitpunkt auch die wirtschaftliche Komponente des Projektes betrachtet. Dabei zeigten sich vor allem in Bezug auf die Materialkosten große Defizite bzgl. der Vermarktung eines solchen Lärm- und Hitzeschildes.

4 Dokumentation
AP 4. Projektdokumentation und Schlussbericht
Im Schlussbericht wurden alle gewonnenen Ergebnisse zusammenfassend dokumentiert.


Ergebnisse und Diskussion

Das Projekt zielte darauf ab, einen Lärm- und Hitzeschild für LKW Fahrerhäuser zu entwickeln. Die dabei durchgeführten Testreihen und Versuchsaufbauten zeigten in Bezug auf die Hitzeschildfunktion deutliche Fortschritte durch den Einsatz von Poroblech. In Bezug auf die Thermoergebnisse zeigte der Einbau der Einsatz des Unterbodens bestehend aus Poroblech und einer Aluminium - Knitterfolie eine starke Temperaturabsenkung von über 25 C°. Dies werten wir als erheblichen Fortschritt.
Allerdings zeigten die Schallpegelergebnisse bei den durchgeführten Messungen am Fahrzeug nur eine leichte Innengeräuschreduzierung im Fahrerhaus, die jedoch nicht den Erwartungen entspricht und deshalb in einer weiteren Optimierungsschleife noch verbessert werden müssen.
Die durchgeführte Variantenkonstruktion für unterschiedliche LKW-Baureihen muss für eine Serientauglichkeit eines Lärm- und Hitzeschildes auf Basis von Poroblech weiterverfolgt werden, allerdings ist vor allem in Bezug auf die Reduzierung der Herstellkosten ein wesentlicher Fokus zu setzen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

keine


Fazit

Das entwickelte Lärm- und Hitzeschild zielt darauf ab, Lärm- und Hitzeeinwirkung der Antriebsaggregate eines LKW auf den Innenraum des Fahrerhauses zu reduzieren. Lärm wird dabei nicht nur zurück gehalten sondern absorbiert. Die aus den Antriebsaggregaten kommende Wärme wird dabei schnellstmöglich an die Umgebung abgeleitet, respektive vom Fahrerhaus fern gehalten. Die Messergebnisse zeigen dabei eine Absenkung der Temperatur um über 25°C. Dieses Entwicklungsziel ist deshalb als Erfolg zu bewerten.
Die Reduzierung des Schalls innerhalb des Fahrerhauses bzw. an die Umgebung abstrahlenden Lärms ist in den ersten Versuchsreihen nicht in dem erhofften Ausmaß gelungen. Gründe hierfür sind vor allem in dem breiten Frequenzspektrum zu sehen, das von den Antrieben und Fahrgeräuschen erzeugt wird und mit einfachen Mitteln nicht absorbiert werden kann. Die Schallabsorption gelingt bei den so genannten ?/4-Absorbern nur, wenn die die Schallwellen bremsenden Poren im Abstand von einem Viertel der Wellenlänge wirksam werden. Bei niederfrequentem Schall führt dies entweder zu erheblichen Baugrößen oder deutlichem Verlust an Effizienz. Bei hochfrequentem Schall sind dagegen nur geringe Baugrößen notwendig. Der benötigte Kompromiss in der Bauart muss in weiteren Versuchsaufbauten genauere analysiert werden, um allen Einfluss- und Zielgrößen gerecht zu werden. Dies erfordert sowohl die weitere Suche nach geeigneten Materialien, als auch Optimierung von Porengröße, Oberflächenstruktur, Geometrie, Anzahl von absorbierenden Lagen und Füllstoffen. Daraus lässt sich voraussichtlich für bestimmte Frequenzen ein Ergebnis finden, das den Zielvorstellungen gerecht wird.
Auf Grund der bisher gemachten positiven Versuchsergebnisse, sind wir der Auffassung, dass mit dem Aufbau einer weiteren Entwicklungsschleife akustische Hitzeschilder schon in einem Versuchsfahrzeug dauerhaft getestet werden können.
Bezüglich der Vermarktung ist ein wesentlicher Risikofaktor der Preis für die eingesetzten Materialien, insbesondere für Metalle, der sich derzeit ständig verändert. Preissteigerungen müssen auf die Endprodukte umgelegt werden. Bei deutlich höheren Verkaufspreisen würde die Akzeptanz der Leichtbauprodukte im Kundenkreis schwinden.
Bei der aktuellen Literatur- und Patentrecherche sind uns von dritter Seite bisher keine adäquaten akustischen Hitzeschilder für LKW- Fahrerhäuser bekannt geworden.
Wir haben geplant, den akustischen Hitzeschild nach vorgeschrittener Entwicklung beim Deutschen Patent und Markenamt anzumelden.