DE102008002408B4

DE102008002408B4 - Gehäuse für ein Heiz- und Klimagerät eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102008002408B4
Application number: DE102008002408.2A
Authority: DE
Inventors: Gerald Richter; Thomas Alberternst; Dirk Gutberlet
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: DE102008002408A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse (1) für ein Heiz- und Klimagerät eines Kraftfahrzeuges, dessen Wand (2) lasttragende Bereiche (6) erhöhter Steifigkeit und nicht lasttragende Bereiche (7) mit reduzierter Wandstärke aufweist, wobei die lasttragenden Bereiche (6) zumindest zwischen Befestigungs-und/oder Auflagepunkten des Gehäuses (1) eine durchgehende Struktur bilden, die so geformt ist, dass in zumindest einem Belastungsfall bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Heiz- und Klimagerätes Lastpfade (5) ausschließlich durch die lasttragenden Bereiche (6) der Gehäusewand (2) verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein Heiz- und Klimagerät eines Kraftfahrzeuges, dessen zumindest eine Gehäusewand lasttragende Bereiche erhöhter Steifigkeit und nicht lasttragende Bereiche mit reduzierter Wandstärke aufweist.
Durch die zunehmende Komplexität moderner Kraftfahrzeuge kommt es vielfach zu einer Multifunktionalität wichtiger verwendeter Baugruppen. Dies gilt in besonderem Maße auch für Heiz- und Klimageräte, die in modernen Kraftfahrzeugen einen nicht unerheblichen Teil des zur Verfügung stehenden Bauraumes, insbesondere im Vorderwagen eines Fahrzeuges, einnehmen.
Geläufige Heiz- und Klimageräte verfügen in der Regel über ein Gehäuse, welches in diesem Zusammenhang verschiedene Funktionen zu erfüllen hat. Als Gehäuse eines Heiz- und Klimagerätes hat dieses zunächst die einzelnen Komponenten des Heiz- und Klimagerätes aufzunehmen, um zwischen diesen Komponenten feste Lagebeziehungen zu garantieren und die einzelnen funktionsbedingt erforderlichen Komponenten des Heiz- und Klimagerätes gegebenenfalls zu einer vormontierten Baugruppe zusammenzufassen, die im Zuge einer Endmontage des jeweiligen Kraftfahrzeuges mit geringem Aufwand zu installieren ist und zu einem späteren Zeitpunkt während der angestrebten Lebensdauer des Kraftfahrzeuges möglichst einfache Serviceschritte ermöglicht. Darüber hinaus haben die Gehäuse von Heiz- und Klimageräten mechanische Stützfunktionen zu erfüllen. Sie müssen ausgelegt sein, um die durch die Komponenten im Inneren des Gehäuses, also die teilweise recht massiven Komponenten des Heiz- und Klimagerätes, auftretenden Lasten aufnehmen und die mit der Masse dieser Komponenten verbundenen Beschleunigungskräfte in unterschiedlichen Fällen, beispielsweise bei Schockeinwirkungen und/oder Vibrationen kompensieren zu können, ohne dabei selbst zerstört zu werden bzw. ohne dabei Überlastungen ausgesetzt zu werden, die zu einer Verringerung ihrer Lebensdauer führen würden.
Neben der Aufnahme der angesprochenen Kräfte und Belastungen dienen sie des Weiteren dazu, die auftretenden Kräfte direkt oder indirekt in entsprechende Befestigungsmittel bzw. Auflagepunkte der Karosserie einzuleiten, wodurch sie so ausgestaltet sein müssen, dass ein entsprechender Kraftfluss durch die beanspruchten Bereiche des Gehäuses des Heiz- und Klimagerätes möglich ist.
Neben diesen mechanischen Funktionen dienen die Gehäuse von Heiz- und Klimageräten in Kraftfahrzeugen in der Regel als strömungsleitende Baugruppen, die es ermöglichen sollen, unterschiedliche Luftströme zu verschiedenen Einleitorten zu führen und für eine Klimatisierung des Fahrzeuginnenraumes erforderliche Mischungsvorgänge zu ermöglichen, was mit der Sicherstellung möglichst definierter Strömungsverhältnisse verbunden ist. Insbesondere müssen Verwirbelungen gewährleistet oder vermieden werden und bestimmte Strömungswiderstände eingehalten bzw. nicht überschritten werden. Die Strömungsverhältnisse sind des Weiteren in der Regel so zu realisieren, dass bestimmte Grenzwerte einer Geräuschentwicklung nicht überschritten werden, was insbesondere in Zusammenwirkung mit beweglichen Teilen eine umfangreiche Optimierung, insbesondere zur Vermeidung unerwünschter Vibrationen, erforderlich macht, wobei die bereits angesprochenen anderen zu erfüllenden Funktionen des Gehäuses des Heiz- und Klimagerätes in vollem Umfang aufrecht erhalten bleiben müssen.
Darüber hinaus kann es in Einzelfällen erforderlich werden, zusätzliche Kräfte durch das Gehäuse des Heiz- und Klimagerätes hindurch zu leiten, was beispielsweise im Falle einer Abstützung anderer Baugruppen am Gehäuse des Heiz- und Klimagerätes auftreten kann, wenn das Heiz- und Klimagerät entsprechend in das statische Gesamtkonzept des Kraftfahrzeuges einbezogen ist.
Die angesprochene Funktionsvielfalt, die von modernen Gehäusen von Heiz- und Klimageräten ganz oder teilweise abzudecken ist, bedingt in den meisten Fällen ein mechanisches Anforderungsprofil an das Gehäuse des Heiz- und Klimagerätes, welches neben einer Mindestfestigkeit Aspekte einer Biege- und Verwindungssteifigkeit sowie einer Dämpfung bestimmter Schwingungsfrequenzen, welche typischerweise in Kraftfahrzeugen auftreten, zwingend zu berücksichtigen gebietet. Die beschriebenen mechanischen Anforderungen haben dazu geführt, dass sich insbesondere Gehäuse für Heiz- und Klimageräte von Kraftfahrzeugen etabliert haben, die üblicherweise durch herkömmliche Spritzgießverfahren hergestellt werden. Bei entsprechender Dimensionierung der Gehäuse lassen sich auf diese Weise ausreichend stabile Gehäuse für Heiz- und Klimageräte herstellen, die problemlos in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können.
Ein Nachteil derartig hergestellter Gehäuse besteht jedoch in ihrem relativ hohen Gewicht sowie in durch die erforderlichen Wandstärken zur Erreichung der mechanischen Mindestanforderungen benötigten großen Materialmengen, was in Zeiten zunehmender Rohstoffverknappung einen Nachteil darstellt und insbesondere vor dem Hintergrund einer anzustrebenden Gewichtsreduzierung von Kraftfahrzeugen einen erheblichen Nachteil darstellen kann.
Zur Reduzierung des Gehäusegewichtes sind verschiedene Ansätze bekannt. Es ist bekannt, die erforderliche durchschnittliche Wandstärke durch eine Oberflächenstrukturierung der Gehäusewand zu begrenzen. Hierzu werden zur Erhöhung der Steifigkeit der Gehäusewand regelmäßig angeordnete Versteifungselemente in die flächige Gestaltung der Wand des Gehäuses eines Heiz- und Klimagerätes einbezogen. Das kann in Form von Verrippungen, Sicken oder anderen Designelementen erfolgen, die durch reguläre Spritzgießverfahren hergestellt werden können.
Eine etablierte Ausführung derartiger Gestaltungen für Innenausstattungsteile von Kraftfahrzeugen bildet ein Fachwerkdesign, das sich durch eine tragende Gitterstruktur auszeichnet, die durch eine nicht tragende Haut flächig abgedeckt bzw. abgedichtet wird ( DE 34 41 176 A1 ).
Eine gezielte Variation der Wandstärke des Gehäuses eines Heiz- und Klimagerätes ist auch aus der Anlage von Sollbruchstellen bekannt, an denen eine gezielte Schwächung der statischen Struktur des Gehäuses durch eine räumlich begrenzte Reduzierung der Wandstärke vorgenommen wird ( DE 28 56 031 A1 ).
Es ist bekannt, eine variable Wandstärke zu realisieren, um ein kinetische Energie absorbierendes Konstruktionselement zu erhalten ( DE 10 2005 018 563 A1 ).
Es ist des Weiteren bekannt, eine regelmäßige Fachwerkstruktur, die durch eine Folie abdichtend bespannt ist, zwischen massiv ausgelegten Gehäuseteilen zu integrieren, um ein kinetische Energie absorbierendes Konstruktionselement zu erhalten, also zwischen den massiv ausgelegten Gehäuseteilen ein vorgegebenes Knautschverhalten zu sichern, insbesondere, um im Crashfall wesentliche Konstruktionselemente des betreffenden Kraftfahrzeuges möglichst lange betriebssicher zu erhalten ( DE 29 30 677 A1 ).
Es ist des Weiteren bekannt, die Wandstärke von Kunststoffgehäusen zu variieren, indem krümmungsabhängig eine Wandverstärkung realisiert wird, um so technologisch bedingten Riss- und Bruchneigungen in Eckbereichen entgegen zu wirken ( DE 197 50 348 A1 ). Diese Vorgehensweise ist bei der Realisierung bestimmter Gehäuseformen und Krümmungsradien bei der Anwendung verschiedener Formungsverfahren zweckmäßig, geht jedoch mit einer Gewichtserhöhung einher.
Es ist des Weiteren bekannt, verschiedene Herstellungsverfahren zu kombinieren, um beispielsweise eine statisch optimierte Rahmenkonstruktion als separates Kunststoffteil bereitzustellen, das über fest vorgegebene Befestigungspunkte mit einem statisch schwächer ausgelegtem Gehäuseteil verbunden wird, wobei der Rahmen gleichzeitig der Abstützung des Gehäuseteiles dient ( EP 1 097 828 A2 ). Konstruktive Anpassungen an sich ändernde Randbedingungen bezüglich des zur Verfügung stehenden Bauraumes müssen in diesem Fall stets an beiden Komponenten, die separat hergestellt werden, vorgenommen werden. In Anbetracht verschiedener eingesetzter Technologien, beispielsweise einer Kombination von Spritzgießen und Blasformen, ergibt sich daraus ein hoher fertigungstechnischer Aufwand.
Allen anderen angesprochenen Verfahren gemäß dem Stand der Technik ist gemein, dass die Variation der Wandstärke entweder nur der Steuerung des Versagensverhaltens dient oder im Fall regelmäßiger Fachwerkstrukturen lediglich eine gegenüber einer massiven Ausführung einer Gehäusewand als Pauschalreduzierung des durchschnittlichen Wandgewichtes zu bezeichnende Gewichtseinsparung bewirkt, die im Einzelfall nicht mit befriedigenden Resultaten verbunden ist. Regelmäßige Fachwerke werden dabei in der Regel als flächiger Verbund dimensioniert, dessen mechanische Eigenschaften aus Anforderungen an bestimmte Konstruktionselemente festgelegt werden, die beispielsweise durch die gesamte Fachwerkstruktur oder größere Teile davon gebildet werden sollen. Die Fachwerkstruktur resultiert dabei häufig aus technologischen Standardverfahren und Konfektionierungen, was im Belastungsfall mit erzwungenen Lastpfaden verbunden sein kann, die von einer optimalen Geometrie der Lastpfade im jeweiligen Belastungsfall erheblich abweichen können.
Außerdem wird in der JP S60- 44 737 A ein Klimagerät und in der DE 698 24 650 T2 ein Verfahren zur Erzeugung eines Verbundformgegenstandes aus thermoplastischen Harzen beschrieben.
In der DE 21 06 546 A werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spritzgießen von Gegenständen aus Kunststoff beschrieben.
In der JP H10- 58 951 A wird ein Gehäuse aus Harz beschrieben, das bei einer Kollision eines Fahrzeugs leicht bricht.
In der DE 10 2005 018 563 A1 wird ein Fahrzeugaggregatgehäuse und eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit Wandungen, an denen Aggregate festlegbar sind, beschrieben, wobei zumindest ein Wandungsabschnitt Mittel umfasst, die bei einer vorbestimmten Beaufschlagung eine definierte Verformung bereitstellen.
In der DE 100 55 190 A1 werden ein Verfahren zur Herstellung folienhinterspritzter Kunststoffformteile, diese Kunststoffteile sowie deren Verwendung beschrieben.
Ferner wird in der DE 36 39 138 A1 ein Gehäuse zur Führung von Luftströmen, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage, beschrieben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit anzugeben, ein Gehäuse eines Heiz- und Klimagerätes darzustellen, welches unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine ausreichende Funktionalität, insbesondere Steifigkeit, aufweist, mit geringem Aufwand herstellbar ist und sich durch einen geringen Materialbedarf auszeichnet.
Die Aufgabe wird erfüllt durch ein Gehäuse eines Heiz- und Klimagerätes gemäß Anspruch 1. Die Ansprüche 2 bis 10 geben vorteilhafte Ausgestaltungen eines derartigen Gehäuses an.
Die Erfindung geht davon aus, das Gehäuse eines Heiz- und Klimagerätes für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug in einer belastungsgerechten Leichtbauweise zu gestalten. Dazu wird eine topologisch und topographisch optimierte Oberflächenstruktur geschaffen, die unter Berücksichtigung verschiedener vorgesehener bzw. möglicher Belastungsfälle lasttragende und nicht lasttragende Gehäusebereiche aufweist. Es können asymmetrische Strukturelemente sowie Flächenbereiche unterschiedlicher Wandstärke, die unregelmäßig begrenzt sind, umfasst sein. Dadurch lassen sich die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gehäuses wesentlich besser an zu erwartende Belastungen anpassen, als das beispielsweise unter Verwendung regelmäßiger Fachwerkstrukturen der Fall ist.
Im Ergebnis der erfindungsgemäßen Vorgehensweise einschließlich einer Belastungsanalyse ergibt sich ein System von Bereichen, die vorteilhafterweise in unterschiedlichem Maße eine Verstärkung, d. h. Erhöhung ihrer Steifigkeit benötigen. Diese Bereiche bilden in einem entsprechenden Verbund im Wesentlichen oder ausschließlich die tragende Struktur des Gehäuses und werden im Folgenden als lasttragende Bereiche im Sinne der Erfindung angesehen. Andere Bereiche tragen in viel geringerem Maße oder überhaupt nicht zur Gesamtstabilität des Gehäuses bei. Diese werden im Folgenden als nicht lasttragende Bereiche bezeichnet. In den nicht lasttragenden Bereichen genügt es, nahezu unabhängig von statischen Vorgaben für die gewünschten strömungstechnischen bzw. dichtenden Eigenschaften des Gehäuses zu sorgen. Diese Bereiche können daher sehr geringe Wandstärken und/oder Steifigkeiten aufweisen.
Zu berücksichtigende Randbedingungen für die Ausgestaltung des Gehäuses bilden der zur Verfügung stehende Bauraum im Kraftfahrzeug inklusive der Befestigungspunkte für das Heiz- und Klimagerät, die zu realisierenden Strömungswege und die vorrangig strömungsleitenden Eigenschaften der Gehäuseinnenflächen, wo diese der Begrenzung von Strömungswegen dienen. Diese Randbedingungen bestimmen in an sich bekannter Weise die Grobstruktur des erfindungsgemäßen Gehäuses des Heiz- und Klimagerätes. Die im Folgenden als Feinstruktur des Gehäuses bezeichnete Gestaltung wird im Wesentlichen durch die Verteilung der lasttragenden und der nicht lasttragenden Gehäusebereiche und der konkreten Ausgestaltung, insbesondere der lasttragenden Bereiche, bestimmt.
Diese Feinstruktur wird auf der Basis einer Strukturoptimierung festgelegt, die unter Zugrundelegung verschiedener vorgegebener Belastungsfälle vorgenommen wird. Typische Belastungsfälle, die in die Strukturoptimierung einfließen, sind der statische Montagefall, bei dem das endmontierte Heiz- und Klimagerät über fixe Befestigungspunkte mit dem übrigen Kraftfahrzeug in Verbindung steht und bei dem eine Gehäusebelastung überwiegend durch das Eigengewicht des Gehäuses, durch das Gewicht der im Heiz- und Klimagerät enthaltenen Baugruppen sowie gegebenenfalls durch eingeleitete Stützkräfte gerätefremder Fahrzeugbaugruppen bedingt ist.
Weitere Belastungsfälle, die in die Strukturoptimierung einfließen, entspringen Schock- und Vibrationsszenarien, die bestimmungsgemäß und/oder während sicherheitsrelevanter Ausnahmezustände im Fahrzeugbetrieb auftreten können. So können verschiedene Crash-Szenarien berücksichtigt werden. Des Weiteren können betriebsbedingte Vibrationen, die durch den Betrieb der einzelnen Komponenten im Inneren des Gehäuses hervorgerufen werden, einschließlich möglicher Resonanzeffekte in die Strukturoptimierung einbezogen werden.
In Abhängigkeit von den auftretenden Kräften und der Lage der Befestigungspunkte werden resultierende Lastpfade identifiziert und die lasttragenden Bereiche der Gehäusewand so begrenzt, dass die identifizierten Lastpfade vollständig in die lasttragenden Bereiche einbezogen sind. Die Lastpfade werden in einer Weise verstärkt, dass sie den vorgegebenen Belastungen bei deren Auftreten einen maximalen Widerstand entgegensetzen, anderen oder Störbelastungen dagegen möglicherweise in geringerem Maße widerstehen können.
Die Berücksichtigung bestimmter ausgewählter Belastungsfälle und daraus resultierender Verformungen des Gehäuses ermöglicht eine genaue Simulation der Lastaufnahme in den einzelnen Bereichen des Gehäuses des Heiz- und Klimagerätes. Vorteilhafterweise kann der Effekt der Gehäuseverstärkung, der vorzugsweise im Bereich identifizierter Lastpfade vorgenommen wird, in eine derartige Simulation einbezogen werden. Dadurch ist eine iterative Strukturoptimierung möglich, indem bestimmte Ausgangsstrukturen variiert und einer erneuten Simulation von Belastungsfällen unterzogen werden. Im Umkehrschluss kann die Wirkung einer Wandschwächung im Bereich nicht lasttragender Bereiche des Gehäuses des Heiz- und Klimagerätes per Simulation abgeschätzt werden.
Erfindungsgemäß ergibt sich ein Gehäuse für ein Heiz- und Klimagerät eines Kraftfahrzeuges, dessen zumindest eine Gehäusewand lasttragende Bereiche erhöhter Steifigkeit und nicht lasttragende Bereiche mit reduzierter Wandstärke aufweist, bei dem in Abhängigkeit von den auftretenden Kräften und der Lage der Befestigungspunkte resultierende Lastpfade identifiziert sind, wobei die lasttragenden Bereiche zumindest zwischen Befestigungs- und/oder Auflagepunkten des Gehäuses eine durchgehende Struktur bilden, die so geformt ist, dass in zumindest einem Belastungsfall bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Heiz- und Klimagerätes Lastpfade ausschließlich durch die lasttragenden Bereiche der Gehäusewand verlaufen, wobei die nicht lasttragenden Bereiche der Gehäusewand unregelmäßig geformt sind und die lasttragenden Bereiche parallel zu und/oder entlang von den Lastpfanden verlaufen, wobei die lasttragenden Bereiche ebenfalls unregelmäßig geformt sind.
Das Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gehäuses umfasst dabei zumindest einen Verfahrensschritt, bei dem für mindestens einen Belastungsfall auftretende Lastpfade ermittelt werden und Wandbereiche des Gehäuses, durch die die ermittelten Lastpfade verlaufen, gegenüber anderen Wandbereichen verstärkt werden. Gegebenenfalls können die anderen Wandbereiche außerhalb der Lastpfade in ihrer Wanddicke reduziert werden. Durch eine derartige Vorgehensweise, nämlich eine nachträgliche Verstärkung nach einer Identifizierung von Lastpfaden, wird das Auftreten erzwungener Lastpfade weitgehend verhindert.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, Gehäuse von Heiz- und Klimageräten so auszuführen, dass nicht lasttragende Bereiche der Gehäusewand unregelmäßig geformt sind und ihre Begrenzungen parallel zu und/oder entlang von Lastpfaden verlaufen. Diese Unregelmäßigkeit der Begrenzung nicht lasttragender Bereiche ermöglicht in den meisten typischen Belastungsfällen einen durchgehenden und dennoch nicht erzwungenen Verlauf der einzelnen Lastpfade zwischen den Befestigungspunkten des Gehäuses. Optimal ist es, wenn die lasttragenden Bereiche auf der gesamten Wand des Gehäuses eine durchgehend verbundene Struktur bilden.
Die iterative Strukturoptimierung hat des Weiteren den Vorteil, dass bei einer ausreichenden Gestaltungsfreiheit, die nicht zu stark durch die bereits erwähnten Randbedingungen, die durch die Grobstruktur des Gehäuses vorgegeben werden, eingeschränkt wird, die Form der verbundenen Struktur der lasttragenden Bereiche zumindest in Teilbereichen einen bionischen Charakter aufweist. Darunter ist eine Anordnung verstärkter Bereiche zu verstehen, die bei Einleitung der in den einzelnen vorgesehenen Belastungsfällen auftretenden Kräfte zu einer Minimierung der Ausweichbewegungen der als Streben wirkenden verstärkten Bereiche führt, auch wenn diese Ausweichbewegungen nicht durch die zwischengelagerten nicht lasttragenden Bereiche der Gehäusewand behindert werden oder würden.
Eine derartige bionische Struktur zeichnet sich durch einen weitgehend parallelen Verlauf verstärkter Wandbereiche und eingeleiteter Kräfte und geringe Scherkräfte in den Verbindungsbereichen zwischen den einzelnen als Streben wirkenden verstärkten Bereichen aus, was wiederum durch eine weitgehende Vermeidung erzwungener Lastpfade bewirkt werden kann.
Die Strukturoptimierung erfolgt mit dem Ziel einer Gewichtsminimierung des Gehäuses. Daraus folgen Anforderungen an die Wanddickenverteilung, die teilweise mit technologischen Randbedingungen bei Anwendung bestimmter Herstellungsverfahren kollidieren. So lassen sich bestimmte Wanddickenverteilungen, insbesondere sehr große Wanddickensprünge, nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand an Spritzgussteilen realisieren.
Unter Berücksichtigung von Restriktionen ist das Standardspritzgießen anwendbar. Vorteilhafterweise werden die erfindungsgemäß optimierten Gehäuse für Heiz- und Klimageräte unter Nutzung verschiedener Spritzgießsonderverfahren hergestellt. Auf diese Weise können technologisch bedingte Beschränkungen bezüglich der Wanddickenverteilung des Gehäuses umgangen bzw. die Notwendigkeit extremer Wanddickenunterschiede vermieden werden.
Eine Möglichkeit zur sicheren Realisierung großer Wanddickenunterschiede, insbesondere der Realisierung sehr geringer Wandstärken in nicht lasttragenden Gehäusebereichen, besteht in der Anwendung einer dynamischen Werkzeugkühlung. Bei einer dynamischen Werkzeugkühlung ist die Oberfläche des Formwerkzeuges während der Einspritzphase zunächst heiß und wird dann während des Abkühlens des Formteiles gezielt abgesenkt. Vorteilhafterweise wird dieses Verfahren zumindest in einigen Bereichen geringer Wandstärke angewendet, also das Gehäuse durch Spritzgießen mit zumindest teilweise dynamischer Werkzeugkühlung hergestellt.
Zur Ausbildung besonders dickwandiger Gehäusebereiche hat sich die Anwendung einer Gasinnendrucktechnik (GIT) als vorteilhaft erwiesen, bei welcher das verwendete Material in den dicken Bereichen mit Hilfe eines inerten Gases in seine Endform gebracht wird, wobei geeigneter Weise Hohlräume gebildet werden. Das führt zu stabilen und leichten Strukturen, die als lasttragende Bereiche des erfindungsgemäßen Gehäuses zum Einsatz kommen können. Außerdem bedingt diese Vorgehensweise relativ kurze Zykluszeiten. Vorteilhafterweise wird dieses Verfahren zumindest in einigen Bereichen großer Wandstärke angewendet, also das Gehäuse zumindest teilweise durch Spritzgießen unter Nutzung der Gasinnendrucktechnik hergestellt.
Die dargestellte Strukturoptimierung bedingt teilweise eine vorteilhafte eng benachbarte Anordnung sehr dünnwandiger Bereiche neben sehr dickwandigen Bereichen der Gehäusewand. Es ist daher besonders vorteilhaft, die beiden Sonderverfahren zu kombinieren, also zumindest einige der dünnwandigen Bereiche durch Spritzgießen mit dynamischer Werkzeugkühlung zu erzeugen und zur Realisierung zumindest einiger dickwandiger Bereiche die Gasinnendrucktechnik einzusetzen.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Erzeugung von Gehäusebereichen unterschiedlicher Festigkeit besteht im Einsatz sogenannter 2K-Prozesse, bei denen die einzelnen Bereiche je nach der geforderten Belastbarkeit aus unterschiedlichen Komponenten/Materialien gefertigt werden. Dabei werden unterschiedliche mechanische Belastungen durch unterschiedliche Materialien aufgenommen. Auch auf diese Weise lässt sich das Wandgewicht wirkungsvoll verringern. Als zu kombinierende Materialien eignen sich verschiedene Kunststoffe, beispielsweise HCPP, talkumiertes Polypropylen, PBT sowie PUR. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die verstärkten bzw. lasttragenden Bereiche durch einen Standardthermoplasten, beispielsweise ein Polyolefin, oder durch einen technischen Thermoplasten, beispielsweise PBT, realisiert werden. Die nicht lasttragenden Bereiche werden in diesem Fall vorteilhafterweise durch ein Material geringerer Viskosität geschlossen. Das kann beispielsweise durch ein thermoplastisches oder duroplastisches PUR erfolgen.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn zunächst die lasttragenden Bereiche des Gehäuses durch Spritzgießen aus einem Polyolefin oder PBT hergestellt werden und anschließend die nicht lasttragenden Bereiche durch ein Material geringerer Viskosität geschlossen werden.
Generell hat sich gezeigt, das zur Ausbildung filigraner Strukturen, also beispielsweise sehr dünnwandiger Bereiche oder der Ausfüllung kleiner Hohlräume, wie sie beispielsweise durch den Einsatz von Fasergelegen unvermeidbar sind, PUR-Materialien mit geringer Viskosität gut geeignet sind, wenn sie eine hohe Fließfähigkeit mit einer ausreichenden mechanischen Festigkeit und geeigneten thermischen Eigenschaften verbinden.
In einer weiteren vorteilhaften Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Kunststofffilm genutzt, um eine geschlossene Gehäusefläche des Heiz- und Klimagerätes zu realisieren. Nur die lasttragenden Bereiche entlang der identifizierten Lastpfade werden zusätzlich aufgebaut. Als Film kann beispielsweise ein vorgeformter oder in anderer Weise vorbereiteter Kunststofffilm verwendet werden, der mit einem Kunststoff hinterspritzt wird, welcher kompakt oder geschäumt ausgeführt wird, um die lasttragenden Bereiche auszubilden.
In einer weiteren Alternative bzw. Ausgestaltung des Verfahrens werden lastaufnehmende Bereiche faserverstärkt ausgelegt. Dazu können an Stellen, an denen lasttragende Bereiche des Gehäuses ausgebildet werden sollen, Gewebe oder Gelege eines Fasermaterials in das Formwerkzeug eingelegt werden, die anschließend zumindest teilweise um- oder hinterspritzt werden.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn an Stellen, an denen lasttragende Bereiche des Gehäuses ausgebildet werden sollen, ein Hybridgewebe oder Hybridgelege eines Fasermaterials, insbesondere aus Polypropylen und Glasfasern, in das Gehäuse integriert wird. Dadurch ergibt sich eine besonders effektive und direkte Verstärkung bzw. Unterstützung der identifizierten Lastpfade, wobei das Hybridgelege im Nachgang der erfindungsgemäß durchgeführten Simulation der vorgesehenen Belastungssituationen optimal vorbereitet bzw. vorgefertigt werden kann.
Es hat sich des Weiteren als vorteilhaft erwiesen, wenn Gehäuseteile, die eine prägbare Struktur aufweisen, was insbesondere durch die geometrische Ausgestaltung in Verbindung mit einer möglichen Hubrichtung der verwendeten Werkzeuge festgelegt ist, durch einen Spritz-Präge-Prozess realisiert werden. Dabei wird das verwendete Material in einer halb geschlossenen Form platziert, bevor das Werkzeug unter Druck ganz geschlossen wird. Auf diese Weise können Ausgangsmaterialien mit hoher Viskosität verarbeitet werden, was deren vorteilhafte Eigenschaften einer Nutzung für die strukturoptimierten Gehäuse von Heiz- und Klimageräten erschließt. Insbesondere fallen darunter stark füllstoffhaltige Materialien (LFT). Vorteilhafterweise lässt sich auch diese Technologie zur Erzielung besonders effektiv verstärkter Lastpfade bzw. lasttragender Bereiche mit den bereits dargestellten Methoden einer Faserverstärkung kombinieren.
Des Weiteren kann die Herstellung der Gehäuse oder Gehäuseteile durch geeignete Schäumprozesse, chemische oder physikalische, erfolgen, wobei eine niedrige Viskosität des verwendeten Materials zum Füllen dünnwandiger Bereiche genutzt werden kann.
Wenn sich bei der Analyse der zu erwartenden Belastungsfälle und dem daraus folgenden Verlauf der zu verstärkenden Bereiche eine Anordnung abzeichnet, die durch eine eng benachbarte Anordnung mehrerer verstärkter Bereiche gekennzeichnet wäre, kann es vorteilhaft sein, diese benachbarten Bereiche zu einem gemeinsamen flächig verstärkten Bereich zusammenzufassen. Ein derart zusammengefasster verstärkter Bereich kann seinerseits durch eine Oberflächenstrukturierung bezüglich seines Gewichtes und seiner Festigkeit optimiert werden, wobei es insbesondere vorteilhaft sein kann, wenn an einem derart ausgestalteten Gehäuse eines Heiz- und Klimagerätes flächige lasttragende Bereiche umfasst sind, die zusätzlich durch wabenförmige Rippen verstärkt sind.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 zwei Ansichten eines herkömmlichen Gehäuses eines Heiz- und Klimagerätes gemäß dem Stand der Technik,
2 zwei Ansichten eines Gehäuses eines Heiz- und Klimagerätes mit identifizierten Lastpfaden; und
3 zwei Ansichten eines erfindungsgemäß ausgestalteten Gehäuses eines Heiz- und Klimagerätes.

1 zeigt zwei Ansichten eines herkömmlichen Gehäuses 1 eines Heiz- und Klimagerätes, wie es derzeit in verschiedenen Kraftfahrzeugen Verwendung findet. Es ist als Spritzgussteil ausgeführt, dessen Wände 2 in einer weitgehend konstanten Wandstärke ausgelegt sind, die üblichen Standards entspricht. Seine Außenkontur wird teilweise durch den zur Verfügung stehenden Bauraum im Kraftfahrzeug festgelegt und ist im Übrigen durch Anschlusstücke 3 mit teilweise flanschförmigen Abschlüssen 4 gekennzeichnet, über welche eine strömungstechnische Anbindung an benachbarte Baugruppen erfolgen kann. Die flanschförmigen Abschlüsse 4 bilden gleichzeitig statische Auflage- bzw. Krafteinleitorte, die bei der statischen Gesamtkonzeption des Gehäuses 1 zu berücksichtigen sind. Im Inneren des Gehäuses begrenzen die Wände 2 zumindest teilweise funktionsbedingte Strömungswege, was ebenfalls in der Gehäusekonturierung seinen Niederschlag gefunden hat. Das dargestellte geometrische Erscheinungsbild legt die Grobstruktur des Gehäuses 1 eines Heiz- und Klimagerätes dar, die durch ihre Realisierung mit einer konstanten Wandstärke und Einhaltung automotiver Festigkeitsanforderungen mit einem hohen Gehäusegewicht und Materialbedarf verbunden ist.
2 zeigt zwei Ansichten eines Gehäuses eines Heiz- und Klimagerätes mit identifizierten Lastpfaden. Die Grobstruktur des Gehäuses entspricht der in 1. Entsprechend gekennzeichnet sind zahlreiche für bestimmungsgemäße Belastungsfälle identifizierte Lastpfade 5 beziehungsweise Flächenbereiche der Gehäusewand, in denen eine Verstärkung der Wand einen maximalen Effekt bewirken würde. Diese Bereiche enthalten ein durchgehendes Netz von Lastpfaden 5, dessen geometrische Ausprägung weitgehend einer bionischen Struktur gleicht, die sich unter der Randbedingung der vorgegebenen Aufbaufläche entlang der Gehäusewand ausbilden würde. Das System der Lastpfade 5 verbindet insbesondere die flanschförmigen Abschlüsse 4 der Anschlusstücke des Gehäuses. Die Ermittlung der Lastpfade 5 erfolgte in der bereits dargestellten Weise iterativ.
3 zeigt zwei Ansichten eines erfindungsgemäß ausgestalteten Gehäuses 1 eines Heiz- und Klimagerätes der gleichen beispielhaften Grobstruktur. Die Feinstruktur des Gehäuses ist durch eine Aufteilung in lasttragende Bereiche 6 und nicht lasttragende Bereiche 7 geprägt. Die lasttragenden Bereiche 6 der Gehäusewand sind entsprechend verstärkt, wobei die geometrische Form der lasttragenden Bereiche derart gestaltet ist, dass die in 2 dargestellten Lastpfade, die numerisch/iterativ identifiziert wurden, innerhalb der lasttragenden Bereiche 6 verlaufen. Die Verstärkung der lasttragenden Bereiche 6 kann beispielsweise in allen in der Erfindungsbeschreibung dargestellten Formen erfolgen. Ein Vorteil dieser Verstärkung besteht darin, dass dazu erforderliche Formveränderungen ausschließlich auf der Gehäuseaußenseite vorgenommen werden können. Eingriffe in die strömungstechnisch relevante Struktur der Gehäuseinnenseiten sind dagegen nicht erforderlich.
Durch die weitgehende Übereinstimmung der geometrischen Form der lasttragenden Bereiche 6 und der identifizierten Lastpfade 5 kommt es zu von den lasttragenden Bereichen 6 der Gehäusewand umschlossenen nicht lasttragenden Bereichen 7, die überwiegend unregelmäßig geformt sind und sich durch eine deutlich geringere Wandstärke auszeichnen. Diese Bereiche sind vorteilhafterweise durch eines der beanspruchten Verfahren realisiert. Deutlich sichtbar ist die gegenüber den gekennzeichneten Lastpfaden 5 in 2 größere Breite der tatsächlich ausgeführten verstärkten Wandbereiche, die als lastaufnehmende Bereiche bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Gehäuses 1 dienen sollen. Das ist einerseits technologisch bedingt und andererseits mit Steifigkeitsanforderungen verbunden, die einen gewissen Mindestquerschnitt der als Streben eines Verbundes von Stützen wirkenden lasttragenden Bereiche 6 erfordern.
In Bereichen der Gehäusewand, in denen durch einen eng benachbarten Verlauf mehrerer identifizierter Lastpfade (in 2 flächig gekennzeichnet) verstärkte Bereiche einander berühren oder überlappen würden, sind die benachbarten Bereiche zu gemeinsamen flächig verstärkten Bereichen 8 zusammengefasst. Diese zusammengefassten verstärkten Bereiche 8 sind ihrerseits durch eine wabenförmige Oberflächenstrukturierung 9 versteift worden. Das vorliegende Gehäuse 1 des Heiz- und Klimagerätes umfasst also flächige lasttragende Bereiche 8, die zusätzlich zu einer gegenüber den nicht lasttragenden Bereichen erhöhten Wanddicke durch wabenförmige Rippen verstärkt sind.
Das vorliegende Gehäuse 1 weist zudem zahlreiche Befestigungsmittel 10 auf, mit deren Hilfe eine Befestigung bzw. Abstützung des Gehäuses 1 an benachbarten (nicht dargestellten) Befestigungsmitteln erfolgen kann. Diese Befestigungsmittel 10 befinden sich innerhalb der lasttragenden Bereiche 6. Gut sichtbar ist zudem, dass die lasttragenden Bereiche 6 am Ort der dargestellten Befestigungsmittel 10 in der Regel geradlinig auf der Oberfläche des Gehäuses von diesen weg verlaufen. Das spricht für die konsequente Vermeidung erzwungener Lastpfade, was durch das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft realisiert werden kann.
Das in vorteilhafter Weise ausgestaltete beispielhafte Gehäuse 1 ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass die lasttragenden Bereiche 6 auf der gesamten Wand des Gehäuses 1 eine durchgehend verbundene Struktur bilden.

Claims

Gehäuse (1) für ein Heiz- und Klimagerät eines Kraftfahrzeuges, dessen zumindest eine Gehäusewand (2) lasttragende Bereiche (6) erhöhter Steifigkeit und nicht lasttragende Bereiche (7) mit reduzierter Wandstärke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von auftretenden Kräften und einer Lage der Befestigungspunkte resultierende Lastpfade identifiziert sind, wobei die lasttragenden Bereiche (6) zumindest zwischen Befestigungs- und/oder Auflagepunkten des Gehäuses (1) eine durchgehende Struktur bilden, die so geformt ist, dass in zumindest einem Belastungsfall bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Heiz- und Klimagerätes Lastpfade (5) ausschließlich durch die lasttragenden Bereiche (6) der Gehäusewand (2) verlaufen, wobei die nicht lasttragenden Bereiche (7) der Gehäusewand (2) unregelmäßig geformt sind und die lasttragenden Bereiche (6) parallel zu und/oder entlang von den Lastpfaden (5) verlaufen, wobei die lasttragenden Bereiche (6) ebenfalls unregelmäßig geformt sind.
Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lasttragenden Bereiche (6) auf der gesamten Gehäusewand (2) des Gehäuses (1) eine durchgehend verbundene Struktur bilden.
Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenbereiche der Gehäusewand (2), ein durchgehendes Netz von Lastpfaden (5) aufweist, dessen geometrische Ausprägung einer bionischen Struktur gleicht, wobei die bionische Struktur einen parallelen Verlauf verstärkter Wandbereiche und eingeleiteter Kräfte und geringer Scherkräfte in den Verbindungsbereichen zwischen einzelnen als Streben wirkenden verstärkten Bereichen aufweist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand (2) des Gehäuses (1) zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Werkstoff besteht.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lasttragenden Bereiche (6) und die nicht lasttragenden Bereiche (7) des Gehäuses (1) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lasttragenden Bereiche (6) aus einem Polyolefin oder PBT bestehen.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht lasttragenden Bereiche (7) aus einem thermoplastischen oder duroplastischen PUR bestehen.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand (2) des Gehäuses (1) zumindest teilweise aus einem geschäumten Kunststoff besteht.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass flächige verstärkte Bereiche (8) umfasst sind, die zusätzlich durch eine Oberflächenstrukturierung, insbesondere wabenförmige Oberflächenstrukturierung (9), verstärkt sind.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lasttragenden Bereiche (6) durch Kurz-, Lang- oder Endlosfasern verstärkt sind.