Im Forschungsprojekt »viaMeta« wurden neuartige Metamaterialien entwickelt, die zu einer spürbaren Steigerung des akustischen Verhaltens im Fahrzeuginnenraum führen. Diese vibroakustischen Metamaterialien haben damit nicht nur im Labor, sondern auch im Fahrbetrieb ihre hervorragenden Eigenschaften unter Beweis gestellt. Die Komponenten wurden eins zu eins im Originalbauraum des Serienfahrzeugs integriert und unter realen Fahrbedingungen getestet. Auf der Teststrecke wurde die Wirkung gewichtssparender Metamaterialien mit konventionellen Versteifungen und Schwerdämmbelägen zur Schwingungsminderung verglichen.
Vibroakustische Metamaterialien bieten eine innovative Möglichkeit, Schwingungen in schlanken Strukturen zu kontrollieren. Durch periodisch angeordnete Resonatoren können spezielle Bauteileigenschaften erreicht werden. Innerhalb eines gezielt adressierbaren Stoppbandbereichs wird die Ausbreitung von Schwingungen im Material effektiv und breitbandig reduziert. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekts »viaMeta« haben die Mercedes-Benz AG, BOGE Elastmetall GmbH, Novicos GmbH, das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen und das Fraunhofer LBF basierend auf Forschungsergebnissen zu den Gestaltungsprinzipien der Metamaterialien konkrete, industriell herstellbare Lösungen für Fahrzeugbauteile entwickelt. Durch neue Maßnahmen im Bereich der Triebstrangintegration wurde die Schallabstrahlung aus dem Aggregat in die Luft sowie die Übertragung von Vibrationen über die Motorlager und den Motortragrahmen in die Karosserie wirksam beeinflusst.
Ein neuentwickelter Gehäusedeckel, ein neukonstruiertes Motorlager und ein Leichtbaurahmen demonstrieren die industrielle Herstellbarkeit. vibroakustischer Metamaterialien für Fahrzeuge.
Aufbauend auf den Ergebnissen der Grundlagenforschung zu den Gestaltungsprinzipien wurden im Vorhaben viaMeta konkrete, industriell herstellbare Lösungen für Fahrzeugbauteile entwickelt. Damit wurde die Schallabstrahlung aus dem Aggregat in die Luft und die Übertragung von Vibrationen über die Motorlager und den Motortragrahmen in die Karosserie durch innovative Maßnahmen im Bereich der Triebstrangintegration deutlich reduziert.
Das Vorhaben liefert als Ergebnis neben konkreten, wirksamen Lösungen für seriennahe Automobilbauteile auch praxistaugliche, virtuelle Entwurfsmethoden für vibroakustische Metamaterialien einschließlich KI-basierter Methoden, skalierbare, industrietaugliche Herstellungsprozesse und den Nachweis der Wirksamkeit der Maßnahmen im Fahrzeug. Damit schließt viaMeta die Brücke von der Grundlagenforschung zum Praxiseinsatz vibroakustischer Metamaterialien in zukünftigen Fahrzeugen.
Die Forschungsergebnisse werden in der Abschlussveranstaltung des Projekts am 17. April 2024 der interessierten Öffentlichkeit präsentiert, im Rahmen der Veranstaltung besteht zudem die Möglichkeit zur Diskussion mit Experten aus Industrie und Forschung. (Hier geht’s zum Programm und zur Anmeldung)
Das Vorhaben stellt gleichzeitig einen wichtigen Beitrag zur intensiven Erforschung von Konstruktionsprinzipien, Designvarianten und digitalen Simulationsmethoden für Leichtbaustrukturen in Fahrzeugen dar. Die Erkenntnisse und Ergebnisse wurden fortlaufend in Zeitschriften, Journals und auf Konferenzen Publiziert:
- S. Riess, M. Droste, H. Atzrodt, J. Troge, J. Cóndor López, K. Finger, A. Erraji, N. Appel: Vibroacoustic metamaterials for noise and vibration reduction in the automotive industry; Aachen Acoustics Colloquium 2022
- M. Droste, M. Hülsebrock, G. Stoll, H. Atzrodt: Parametric Model Order Reduction for Vibroacoustic Metamaterials Based on Modal Superposition, SAE Technical Paper 2022-01-0943, 2022, https://doi.org/10.4271/2022-01-0943
. - S. Rieß, W. Kaal, S. Herold: Vibration Reduction on circular Saw Blades with vibroacoustic Metamaterials; SIRM 2023 – 15th International Conference on Dynamics of Rotating Machines, Darmstadt, Germany, 22nd – 24th February 2023
- H. Atzrodt, N. Appel, M. Droste, S. Rieß: Potenzial von vibroakutischen Metamaterailien am Beispiel eines Fahrzeugmodells; Lärmbekämpfung 04/2022; VDI Fachmedien GmbH Co. KG, ISSN 1863-4672; 17. Jahrgang 2022M. Droste, S. Rieß, J. G. Cóndor López, A. Erraji: Vibroakustische Metamaterialien zur Reduktion der Schallabstrahlung einer elektrischen Antriebseinheit, MTZ 4/2023
- S. Rieß, M. Droste, A. Erraji, J. Cóndor López, K. Finger, H. Atzrodt: Noise and vibration reduction with vibroacoustic metamaterials on a cover for power electronics of an electric powertrain. 12. Symposium für Aggregate- und Antriebsakustik
- H. Atzrodt, A. Maniam, M. Droste, A. Rieß, M. Hülsebrock: A Power-Based Framework for Quantifying Parameter Uncertainties in Finite Vibroacoustic Metamaterial Plates, MDPI Materials
- S. Rieß, M. Droste, H. Atzrodt, J. Cóndor López, K. Finger, A. Erraji, E. Alasadi: Vibroacoustic Metamaterials for Noise and Vibration Reduction on the Cover of Power Electronics of an electric Vehicle, Metamaterials’2023 17th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (eingereicht)
- H. Atzrodt, A. Maniam, M. Droste, S. Rieß: A Power-Based Approach based on Active Structural Intensity: Stop Band Prediction of Vibroacoustic Metamaterial Plate; Metamaterials’2023 17th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena –, Crete, Greece, Sep. 11th –16th, 2023 (eingereicht)
- A. Weber, S. Rieß, J. Condor Lopez, (ggf. noch weitere): Application concepts and potentials of vibroacoustic metamaterials for NVH comfort; Aachen Acoustics Colloquium, Aachen, Germany, Nov. 27th – 29th, 2023