Methode zur systematischen Entwicklung von akustisch effizienten Leichtbau-Fahrzeugstrukturen

Leichtbau ist ein bedeutender Trend in der Automobilindustrie zur Reduzierung der CO2-Emissionen. Durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien wie Aluminium oder Faserverbundwerkstoffen kann das Gewicht des Fahrzeugs reduziert werden, was zu einer Verringerung der Fahrwiderstände führt. Folglich verbessert sich die Effizienz und die Reichweite steigt, was insbesondere bei Elektrofahrzeugen aktuell ein wichtiges Entwicklungsziel ist.
Allerdings sind auch negative Auswirkungen auf die Fahrzeugakustik zu verzeichnen. Insbesondere flache Strukturbauteile, welche die Fahrgastzelle nur einschalig von äußeren Geräuschquellen wie dem Abrollen der Reifen und dem Antrieb trennen, beeinflussen den Geräuschpegel im Fahrzeug maßgeblich. In der Praxis hat in den vergangenen Jahren die Substitution von Stahl durch Aluminium in akustisch relevanten Bereichen teilweise zu einem deutlichen Anstieg des Geräuschniveaus im Fahrzeuginnenraum geführt.
Um den Geräuschpegel im Fahrzeug zu reduzieren, sind in der späten Phase der Fahrzeugentwicklung zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Diese Maßnahmen führen wiederum zu einem höheren Fahrzeuggewicht und verursachen erhebliche Mehrkosten.
In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur systematischen Auswahl von akustisch effizienten Leichtbau-Fahrzeugstrukturen für den Einsatz in der frühen Phase des Fahrzeugentwicklungsprozesses entwickelt. Das Ziel der Methode ist es, dass sehr früh eine gesamtheitliche Abschätzung unter Berücksichtigung von Karosserieleichtbau und Akustik im Fahrzeuginnenraum getroffen werden kann. Dies soll die Ausgangslage für Optimierungen in späteren Phasen verbessern und damit Kosten sparen.
In einer Reihe von Grundlagenversuchen wird die Korrelationen von Platten gängiger Materialdickenkombinationen automobiler Karosserien und akustischen Eigenschaften aufgezeigt. Zudem wird der Einfluss zusätzlich aufgebrachter Sekundärbehandlungen untersucht.
Als Grundlage für die gesamtheitliche Bewertungsmethode wird zunächst eine Kennzahl, der sogenannte Leichtbau-Akustik-Index, und eine Vorhersagemethode für die akustische Wirksamkeit von flächigen Karosseriebauteilen hergeleitet. Anschließend wird auf Basis der Messreihen an Platten und einem flächigen Karosseriebauteil eines Porsche Taycan Prototyps eine zweistufige Methode zur systematischen Auswahl von akustisch effizienten Leichtbau-Fahrzeugstrukturen entwickelt. Im ersten Teil der Methode werden Gesamtfahrzeugkonzepte hinsichtlich Luftschallpfaden untersucht und akustisch sensible Bauteile identifiziert. Der zweite Teil der Methode ermöglicht eine gesamtheitliche Bewertung aller in Frage kommenden Flächenaufbauten aus Karosserie-Schicht und ggf. Sekundärbehandlung hinsichtlich Masse, Bauraum und Akustik.
Die neu entwickelte Methode leistet einen wichtigen Beitrag zur systematischen Berücksichtigung von akustischen Aspekten bei der Leichtbau-Struktur-Entwicklung in der frühen Phase des automobilen Produktentstehungsprozesses. Sie ermöglicht eine systematische Auswahl des bestgeeigneten akustik-effizienten Leichtbau-Strukturkonzepts in der Fahrzeugarchitekturphase. Einzelne Flächenaufbauten können ganzheitlich hinsichtlich ihrer wechselseitigen Abhängigkeiten von Akustik und Masse unter Berücksichtigung von Bauraum und weiteren Bewertungskriterien bewertet werden. Die Methode geht deutlich über den Stand der Wissenschaft und Technik hinaus und eröffnet neue Möglichkeiten der Fahrzeugentwicklung für einen gezielten Auslegung von akustischen Eigenschaften im Fahrzeuginnenraum und Karosserieleichtbau.