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Dokumentenidentifikation DE19849366A1 27.04.2000
Titel Sandwich-Abschirmblech
Anmelder J & S GmbH Werkzeugbau Stanz- und Dichtungstechnik, 14656 Brieselang, DE;
Dr. Mirtsch GmbH, 14513 Teltow, DE
Erfinder Janz, Norbert, Dipl.-Ing., 14612 Falkensee, DE;
Mirtsch, Frank, Prof. Dr., 13465 Berlin, DE;
Ellert, Jochen, Dipl.-Ing., 10407 Berlin, DE
Vertreter Christiansen, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 14195 Berlin
DE-Anmeldedatum 20.10.1998
DE-Aktenzeichen 19849366
Offenlegungstag 27.04.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.2000
IPC-Hauptklasse B32B 15/00
IPC-Nebenklasse B60R 13/08   F01N 7/14   F02B 77/11   F16L 59/02   
Zusammenfassung Sandwich-Abschirmblech (4), insbesondere Hitzeschild und/oder Schalldämmelement zum Einsatz beim Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, welches zwei übereinanderliegende Metallbleche (1, 2) und eine mindestens abschnittsweise zwischen den Metallblechen angeordnete und an diesen haftende nichtmetallische Zwischenschicht (3) aufweist und bei dem die Metallbleche mit der Zwischenschicht durch Biegen und/oder Prägen räumlich verformt sind, wobei mindestens eines der Metallbleche vollflächig eine dreidimensionale Struktur, insbesondere Beulstruktur, aufweist, die eine Vielzahl gleichartiger, regulär angeordneter, im Querschnitt angenähert kreisabschnittsförmiger Strukturelemente (7, 8) umfaßt, wobei die Zahl der Falten in dem strukturierten und dreidimensional verformten Material nicht größer als die Zahl der Falten vor der räumlichen Verformung ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Sandwich-Abschirmblech gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hitzeschilde sowie thermisch beanspruchte Schalldämmkomponenten dienen bei Kraftfahrzeugen zur thermischen Abschirmung und zur Schalldämmung der Verbrennungsmotoren. Sie sollen ein geringes Gewicht aufweisen und aus Umweltschutzgründen aus wiederverwendbaren Stoffen bestehen. Laminate oder Sandwich-Bauteile aus zwei metallischen Schichten und einer zwischen diesen angeordneten nichtmetallischen Isolier- bzw. Verbindungsschicht haben sich als grundsätzlich geeignet erwiesen, diese komplexen Anforderungen zu erfüllen.

Aus DB-A-40 15 169 ist ein zweilagiges Stahlblech-Formteil bekannt, bei dem auf ein Blech punktuell eine schalldämmende Zwischenlage aufgebracht ist und die Bleche in von dieser Lage freien Bereichen punktverschweißt sind.

Insbesondere als Hitzeschild oder Schalldämmelement zum Einsatz bei einem Verbrennungsmotor dienende Sandwichbauteile sind aus DE-U-296 14 430 sowie den darin genannten Druckschriften bekannt. Das hier beschriebene Bauteil zeichnet sich u. a. durch eine einfache Herstellung mit geringen Kosten aus und hat gute Schall- und Wärmedämmeigenschaften.

Noch nicht befriedigend gelöst ist bei Sandwich-Bauteilen der genannten Art das Problem der Bildung relativ tiefer, langer Falten in stark gebogenen Abschnitten, insbesondere im Bereich räumlich mehrachsiger Biegedeformationen. Solche Falten können die Steifigkeit des Sandwich-Bauteils erheblich reduzieren und seine Festigkeit herabsetzen. Auch aus ästhetischen Gründen sind derartige Falten, die sich von den glatten Blechbereichen deutlich visuell abheben, unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Abschirmblech, bei dem insbesondere die Faltenbildung reduziert ist und somit bei gleicher Wanddicke die Steifigkeit verbessert bzw. bei gleicher Steifigkeit die Wanddicke und das Gewicht vermindert sind und das zudem ein ansprechenderes Erscheinungsbild haben kann.

Die Aufgabe wird durch ein Abschirmblech mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, mindestens als eines der den Sandwichaufbau des Abschirmblechs bildenden Halbzeuge ein Flachhalbzeug mit derartiger mehrdimensionaler Struktur vorzusehen, daß die beim Umformen entstehenden Falten einen weitgehend regulären Verlauf entsprechend vorgegebenen Strukturlinien nehmen. Die Falten werden hierdurch in einem gewissen Grade in die vorgegebene Tragstruktur des Halbzeugs integriert, so daß ihre festigkeitsvermindernde Wirkung minimiert wird. Sie treten hierbei zudem optisch in den Hintergrund.

Es wurde gefunden, daß sich die genannten Probleme vorteilhaft dadurch lösen lassen, daß auf spezielle Weise mehrdimensional strukturierte Bleche, sogenannte beulstrukturierte bzw. wölbstrukturierte Flachmaterialien mit im Querschnitt angenähert kreisabschnittsförmigen Strukturelementen, als veredeltes Halbzeug zum Einsatz kommen. Deartige beulstrukturierte Materialien als veredelte, strukturierte Flachhalbzeuge sind etwa aus WO-A-97/39 846 bekannt. Diese haben gegenüber nicht strukturierten Flachhalbzeugen eine deutlich verbesserte Formsteifigkeit, insbesondere gegenüber Biegebeanspruchungen. Sie sind als Ausgangsmaterial von Sandwich-Bauteilen geeignet. Ihre Strukturelemente haben - je nach der konkreten Verfahrensführung - in der Draufsicht insbesondere im wesentlichen Sechseck- oder Wappen- oder auch Rechteckform.

Es wäre nun allerdings zu erwarten gewesen, daß die Struktur des Halbzeugs während des Umformens (Biegens und/oder Prägens) des Verbundes größtenteils wieder eingeebnet wird und so ihre Steifigkeit einbüßt, und daß das fertige Abschirmblech infolge von unregelmäßigen Deformationen der Strukturelemente ein unansehnliches Aussehen hat. Überraschenderweise ist das aber bei Einhaltung vorbestimmter Umformbedingungen jedenfalls für den weitaus größten Teil der Fläche nicht der Fall. Die (ebenfalls als Falten bezeichneten) Strukturlinien des beulstrukturierter Metallblechs erweisen sich als außerordentlich stabil und bleiben weitestgehend erhalten, wenn der Sandwich-Materialverbund in einem zweiteiligen Werkzeug durch Biegen und/oder Prägen räumlich verformt wird. Die sich beim Umformen tendentiell ausbildenden Falten werden zudem überraschend in die vorgegebene, aus einer Vielzahl einander benachbarter Gewölbeelemente aufgebaute Tragstruktur integriert, so daß ihre festigkeitsvermindernde Wirkung minimiert und der optische Eindruck nicht beeinträchtigt wird.

Vorteilhafterweise werden zugleich die Wärme- und Schalldämmeigenschaften noch weiter verbessert.

Die Metallbleche im vorgeschlagenen Verbund sind insbesondere Aluminium- oder Stahlbleche.

Die Zwischenschicht ist bevorzugt als geschlossene Papp-, Vlies- oder Gewebeschicht, insbesondere mit einem organischen Binde- und Haftmittelzusatz und ggfs. mit einer zugfestigkeitserhöhenden Faserverstärkung, ausgebildet. Ein besonders kostengünstiges Material für Abgaskrümmer-Abschirmbleche ist eine glasfaserverstärkte Pappe, der ein Kautschuk als Binde- und Haftmittel zugesetzt ist.

Die besonders vorteilhaften Eigenschaften beulstrukturierter Bleche, die gegenüber nicht-strukturierten Blechen eine verbesserte Festigkeit (Biege- und Beulsteifigkeit) besitzen und dennoch gut umformbar sind, ergeben sich aus dem materialschonenden Herstellungsprozeß. Besonders günstige dünne Flachmaterialbahnen lassen sich unter Ausnutzung des Prinzips der Selbstorganisation beulartig strukturieren. Dabei wird die gekrümmte, dünne Materialbahn oder Folie auf der Innenseite durch linienförmige Stützelemente, z. B. durch beabstandete Stützringe oder durch eine Stützspirale, abgestützt und von außen mit Druck beaufschlagt. Der äußere Druck wird hydraulisch aufgebracht. Auf diese Weise entstehen versetzte, in der Draufsicht im wesentlichen rechteckige Beulstrukturen; vgl. dazu die DE- A-43 11 978.

Die Ausbildung polyedrischer, beispielsweise hexagonaler Strukturen erfolgt gemäß EP-B-0 693 008 dadurch, daß zickzackförmige oder etwa sechseckige Stützelemente anstatt der genannten Stützringe oder Stützspirale verwendet werden. Anstelle einer hydraulischen Druckaufprägung kann der Druck auch mittels eines nicht strukturierten, elastischen Kissens oder durch einen nicht strukturierten Elastomeren aufgebracht werden.

Die hohe Steifigkeit von auf diese Weise beulverformten Blechen ergibt sich sowohl aus der mehrdimensional ausgeprägten Struktur als auch aus der hohen Formsteifigkeit jedes einzelnen Strukturelementes. Hieraus ergeben sich günstigere akustische Eigenschaften, wie eine etwas verbesserte Schalldämmung durch Absorption und verringerter Körperschall. Zusätzliche Verbindungsmittel in der Fläche des Sandwich-Aufbaus, wie etwa Tox- oder Clinch-Punkte, werden damit verzichtbar. Aufgrund der mehrdimensional gewölbten Oberflächengestalt zeigen die vorgeschlagenen Aufbauten zudem diffuse Schallreflexion. Beulstrukturierte Bleche besitzen zudem in vorteilhafter Weise noch große Plastifizierungsreserven für sekundäre Umformprozesse - im Gegensatz zu den herkömmlichen mehrdimensional strukturierten Blechen, die bereits durch den Strukturierungsprozeß einen großen Teil ihrer Plastifizierungsreserven verloren haben.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Abschirmblechs, bestehend aus einem Verbund aus zwei Metallblechen und einer zwischen den Metallblechen angeordneten nichtmetallischen Zwischenschicht, umfaßt ein Biegen und Prägen. Die Dicke des rseultierenden Verbundes ergibt sich aus den Wanddicken der beiden strukturierten Metallbleche (einschließlich der Höhe ihrer Beulkalotten) und der Wanddicke der nicht- metallischen Zwischenschicht.

Da die Kalotten der einzelnen Beulstrukturen sehr formsteif sind, verursacht die Umformung des beulstrukturierten Blechs im wesentlichen nur Biegedeformationen der bereits existierenden Beulstrukturfalten. Die Ausbildung zusätzlicher langer Falten, die sich beim Umformen nichtstrukturierter Metallbleche leicht bilden können, wird hierbei vermieden. Dadurch erhält das räumlich umgeformte Sandwich-Bauteil aus beulstrukturiertem Material eine verbesserte Formsteifigkeit und ein attraktiveres Aussehen.

Das erfindungsgemäße Abschirmblech, das insbesondere als Hitzeschild bzw. Schalldämmelement zum Einsatz bei einem Verbrennungsmotor bestimmt ist, hat daneben weitere vorteilhafte Eigenschaften: Die Lufteinschlüsse zwischen den Kalotten des beulstrukturierten Metallbleches und der Zwischenschicht führen zu einer deutlich verbesserten Wärmedämmung. Dies trägt neben dem verbesserten Schwingungsverhalten zur Verlängerung der Lebensdauer thermisch und mechanisch belasteter Hitzeschilder bei.

Das beulstrukturierte Blech, dessen Beulstrukturfalten gegen die weichere Zwischenschicht drücken, führt zu einer verbesserten Schalldämmung. Bei nichtstrukturierten Blechen besteht nämlich die Gefahr, daß das Metallblech nur lose auf der Zwischenschicht aufliegt, dadurch frei schwingt und den Körperschall an die Umgebung überträgt. Ferner besitzen beulstrukturierte Materialien im Vergleich zu nichtstrukturierten Materialien eine etwas verbesserte Schallabsorption und einen geringeren Körperschall, da die tiefen Frequenzen in einen höheren Frequenzbereich übergeführt werden. Wenn auch die innere Metallwand des Sandwich-Bauteils beulstrukturiert ist, ergibt sich für das Abschirmblech eines Verbrennungsmotor gleichzeitig eine diffuse Schallreflexion.

Schließlich ist ein umgeformter Sandwich-Aufbau, der mindestens ein strukturiertes Blech umfaßt, deutlich formtreuer als ein aus ebenen Blechen gebildeter und hat ein verbessertes Rückfederungsverhalten.

In einer für ein Schallabschirmelement vorteilhaften Ausgestaltung kommt im Verbund mindestens ein perforiertes und mehrdimensional strukturiertes Blech zum Einsatz. Die Perforationen befinden sich bei einem beulstrukturierten Blech vorzugsweise jeweils in der Mitte der Kalotte der Beulstruktur. Wird innerhalb des Sandwich-Aufbaus ein faseriges oder maschenartiges Gewebe angeordnet, dringt der Schall durch die Löcher ein, wird an den Fasern oder Maschen abgelenkt und dadurch teilweise absorbiert.

In einer weiteren Ausgestaltung bestehen nicht nur die Metallbleche, sondern auch die dämmende Zwischenschicht aus strukturiertem Ausgangsmaterial, denn eine strukturierte - vorteilhafterweise beulstrukturierte - Zwischenschicht, beispielsweise aus Pappe, läßt sich leichter räumlich umformen, ohne zu reißen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind im übrigen in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen (jeweils in vereinfachten Prinzipdarstellungen)

Fig. 1 die ebenen Zuschnitte für ein Abschirmblech nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 das Abschirmblech nach der Umformung,

Fig. 3 ein Abschirmblech nach dem Stand der Technik nach einer Umformung,

die Fig. 4a bis 4d Querschnittsdarstellungen von Abschirmblechen in verschiedenenen Ausführungsformen und

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Abschirmblech gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt als ebene Zuschnitte für einen Sandwich-Aufbau zwei beulstrukturierte Metall-Halbzeuge 1 und 2 und eine diese verbindende nichtstrukturierte Zwischenschicht 3 aus kautschuk- oder kunstharzgebundener Pappe. Die Teile 1, 2 und 3 haften aneinander, können aber zusätzlich in Randbereichen formschlüssig miteinander verbunden werden, um einen sicheren Zusammenhalt in nachfolgenden Formgebungsschritten zu gewährleisten.

Fig. 2 zeigt den Sandwich-Aufbau entsprechend Fig. 1 in Gestalt eines Formteils 4 als Hitzeschild und zur Schalldämmung nach der Umformung durch Biegen und Prägen zur Festlegung der Raumform in schematischer Darstellung. (Bei einem fertigen Abschirmblech üblicherweise vorzusehende Umformbereiche zur Sicherung des Zusammenhaltes des Verbundes, wie etwa eine Umbördelung des Randes oder Umformpunkte, sind in der Figur nicht dargestellt.) Das Formteil 4 ist größtenteils konvex umgeformt und besitzt zwei konkave Bereiche (Sättel) 5 und 6. In den konkaven Bereichen 5 und 6 biegen sich die vorhandenen Strukturlinien ("Falten") 8 der Beulstrukturen bzw. Kalotten 7 etwas tiefer ein (was durch verstärkte Linien gekennzeichnet ist), wobei nahezu keine zusätzlichen Falten entstehen. Die Formsteifigkeit ergibt sich aus der Tiefe der Kalotten 7 und der Ausprägung der Beulfalten 8 der Beulstrukturen.

Fig. 3 zeigt ein ähnliches Abschirmblech 4' nach dem Stand der Technik, bestehend aus (nicht einzeln bezeichneten) nichtstrukturierten Metallblechen und einer nichtstrukturierten Zwischenschicht. In den konkaven Bereichen 5' und 6' sind tiefe, lange Falten F gebildet.

Fig. 4a zeigt in einer (nicht maßstabgerechten) Detaildarstellung einen Querschnitt durch einen Sandwich-Aufbau 14 aus einem ebenen Blech 11, einem beulstrukturierten Blech 12 und einer ebenen Zwischenlage 13. Fig. 4b zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren modifizierten Sandwich- Aufbau 24 aus zwei in gleicher Weise und mit identischen Strukturabmessungen beulstrukturierten Blechen 21, 22 und einer ebenen, relativ dicken Zwischenlage 23, bei dem die Bleche so positioniert sind, daß ihre Kalotten 27.1, 27.2 einander gegenüberliegen und die Beulfalten in die Zwischenlage eingepreßt sind. Fig. 4c zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren modifizierten Sandwich-Aufbau 34 aus zwei in gleicher Weise und mit identischen Strukturabmessungen beulstrukturierten Blechen 31, 32 und einer den gesamten Zwischenraum ausfüllenden Zwischenlage 23, bei dem die Bleche so positioniert sind, daß ihre Kalotten 37.1, 37.2 in entgegengesetzte Richtungen weisen, aber einen lateralen Versatz (im gezeigten Beispiel von einer halben Strukturbreite) aufweisen. Fig. 4d zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren modifizierten Sandwich-Aufbau 44 aus zwei in gleicher Weise, aber mit unterschiedlichen Strukturabmessungen beulstrukturierten Blechen 41, 42 mit unterschiedlicher Dicke und einer ebenen Zwischenlage 43, bei dem die Kalotten 47.1, 47.2 in entgegengesetzte Richtungen weisen.

Bei (nicht gezeigten) modifizierten Ausführungen unter Einsatz eines perforierten beulstrukturierten Bleches befindet sich jeweils ein Loch in der Mitte der Kalotten.

Fig. 5 zeigt in einer Draufsicht einen Bereich eines Abschirmbleches 54 mit einer in der Form der Strukturelemente 57 modifizierten, nämlich sogenannten wappenförmigen, Beul- oder Wölbstruktur.

Durch dem Einsatzzweck und der Form des Abschirmbleches angepaßte Wahl einer der oben gezeigten Anordnungen, der Strukturabmessungen und der Materialstärken lassen sich die Schall- und Wärmedämmeigenschaften optimieren.

Die Erfindung ist in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten möglich, welche von der beanspruchten Lösung auch in anders gearteter Ausführung Gebrauch machen.

So kann das erfindungsgemäße Abschirmblech bei speziellen Formgebungs-Anforderungen einem zusätzlichen Umformungsschritt unterzogen werden; eine hierbei ggfs. erfolgende Ausbildung zusätzlicher Falten stellt gleichwohl kein Abgehen vom Erfindungsgedanken dar.


Anspruch[de]
  1. 1. Sandwich-Abschirmblech (4; 14; 24; 34; 44; 54), insbesondere Hitzeschild und/oder Schalldämmelement zum Einsatz beim Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, welches zwei übereinanderliegende Metallbleche (1, 2; 11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) und eine mindestens abschnittsweise zwischen den Metallblechen angeordnete und an diesen haftende nichtmetallische Zwischenschicht (3; 13; 23; 33; 43) aufweist und bei dem die Metallbleche mit der Zwischenschicht durch Biegen und/oder Prägen räumlich verformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Metallbleche vollflächig eine dreidimensionale Struktur, insbesondere Beulstruktur, aufweist, die eine Vielzahl gleichartiger, regulär angeordneter, im Querschnitt angenähert kreisabschnittsförmiger Strukturelemente (7, 8; 27.1, 27.2; 37.1, 37.2; 47.1; 47.2; 57) umfaßt, wobei die Zahl der Falten in dem strukturierten und dreidimensional verformten Material nicht größer als die Zahl der Falten vor der räumlichen Verformung ist.
  2. 2. Sandwich-Abschirmblech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente (7, 8; 27.1, 27.2; 37.1, 37.2; 47.1; 47.2; 57) in der Draufsicht Sechseck-, modifizierte Sechseck- oder Rechteckform haben.
  3. 3. Sandwich-Abschirmblech nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens je einen im wesentlichen frei von nicht der Struktur folgenden Falten ausgebildeten konvexen und konkaven Bereich (5, 6).
  4. 4. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3; 23; 33) eine zur Strukturierung des Metallblechs bzw. der Metallbleche (1, 2; 21, 22; 31, 32) korrespondierende vorgeprägte Struktur aufweist.
  5. 5. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht als im wesentlichen geschlossene Papp-, Vlies- oder Gewebeschicht, insbesondere mit einem Binde- und Haftmittelzusatz, ausgebildet ist.
  6. 6. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Metallbleche eine gleichartige Struktur aufweisen und die Strukturelemente miteinander ausgerichtet sind.
  7. 7. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Metallbleche regulär angeordnete Perforationen aufweist, die insbesondere jeweils im Zentrum eines Strukturelementes plaziert sind.
  8. 8. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das strukturierte Metallblech als Ausgangsmaterial vor der Bildung des Verbundes eine aufgrund des Prinzips der Selbstorganisation gebildete Beulstrukturierung mit geringer Materialplastifizierung aufweist.
  9. 9. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen fügentechnisch verbundenen Bereich, insbesondere im Randbereich, zur Sicherung des Zusammenhalts des Verbundes.






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