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Die Erfindung betrifft ein schwingungsbeanspruchtes Bauteil aus Blech gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere ein schwingungsbeanspruchtes Wärmeabschirmblech für eine Brennkraftmaschine oder ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs.
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Wärmeabschirmbleche an Brennkraftmaschinen oder Getrieben von Kraftfahrzeugen werden in vielen Fällen einseitig an der Brennkraftmaschine oder am Getriebe befestigt, wobei zumeist ein großer Teil derselben frei über die Brennkraftmaschine oder das Getriebe übersteht. Da Brennkraftmaschinen im Betrieb stets Schwingungen erzeugen, die in ein Getriebe und ein an der Brennkraftmaschine oder am Getriebe befestigtes Wärmeabschirmblech übertragen werden, ist das letztere aufgrund seines großen Überstandes in der Regel stark schwingungsbeansprucht, insbesondere wenn die von der Brennkraftmaschine oder dem Getriebe an dem oder den Befestigungspunkten auf das Wärmeabschirmblech übertragenen Schwingungen Frequenzen aufweisen, die mit einer Eigenschwingungsfrequenz des Wärmeabschirmblechs übereinstimmen. In diesem Fall können Resonanzen auftreten, die im Wärmeabschirmblech hohe innere Spannungen und/oder Biegebeanspruchungen erzeugen, die besonders im Bereich der Befestigung des Wärmeabschirmblechs zu Ermüdungsbrüchen und damit zu einer unerwünschten Verkürzung der Lebensdauer führen können.
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Aus der
DE 10 2007 024 553 A1 ist bereits ein zum Einsatz als Hitzeschild in Kraftfahrzeugen bestimmtes Strukturbauteil der eingangs genannten Art bekannt. Das Strukturbauteil ist zur Verstärkung mit einer dreidimensionalen Versteifungsstruktur aus sich periodisch wiederholenden identischen makroskopischen Strukturelementen versehen, die sich über die gesamte Fläche des Bauteils erstrecken.
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Weiter offenbart die
DE 199 25 492 A1 ein Wärmeabschirmblech, das zur Versteifung mit sich periodisch wiederholenden makroskopischen dreidimensionalen Strukturelementen versehen ist, deren Form sich über das Wärmeabschirmblech nicht verändert.
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Um derartige Bauteile einerseits so leicht wie möglich und andererseits für die aufgeprägten Schwingungen so biegesteif wie möglich zu machen, reicht es jedoch nicht aus, wenn das Bauteil über die gesamte Fläche dieselbe Versteifungsstruktur aufweist, da diese letztere für diejenigen Bereiche des Bauteils, die nahezu ausschließlich starken unidirektionalen Schwingungen ausgesetzt sind und daher stark auf Biegung beansprucht werden, ausreichend steif dimensioniert werden muss, was in anderen Bereichen, die sich überlagernden multidirektionalen Schwingungen ausgesetzt sind und daher weniger stark auf Biegung beansprucht werden, zu einer Überdimensionierung und damit zu einem höheren Gewicht als notwendig führt. Auf der anderen Seite ist es fertigungstechnisch sehr schwierig, Bauteile aus Blech durch unterschiedliche Blechdicken so an die auftretenden Schwingungen anzupassen, dass ein höheres Gewicht vermieden wird.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein aus Blech hergestelltes schwingungsbeanspruchtes Bauteil der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass es trotz unterschiedlicher Beanspruchungen in verschiedenen Bereichen des Bauteils mit einem minimalen Gewicht und einer hohen Biegesteifigkeit gefertigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die in das Blech eingeprägte dreidimensionale Versteifungsstruktur in Bereichen des Bauteils mit unterschiedlichen Schwingungs- und/oder Biegebeanspruchungen unterschiedlich geformte und/oder ausgerichtete Strukturelemente aufweist.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass sich durch eine geeignete Form und/oder Ausrichtung der Strukturelemente in Abhängigkeit von den jeweils auftretenden Schwingungs- und/oder Biegebeanspruchungen in verschiedenen Bereichen des Bauteils dessen Schwingungs- und/oder Biegefestigkeit in jedem Bereich optimieren lässt, wodurch selbst bei minimaler Blechdicke auch in stark schwingungsbelasteten Bereichen eine ausreichende Schwingungs- und/oder Biegefestigkeit des Bauteils gewährleistet werden kann.
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Die erfindungsgemäße Merkmalskombination gestattet es, das Bauteil besonders leicht und trotzdem sehr biegesteif zu machen, was es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wiederum ermöglicht, das Bauteil so auszuführen, dass seine niedrigste Eigenschwingungsfrequenz oberhalb von der höchsten Anregungsschwingungsfrequenz liegt, mit der das Bauteil in Schwingungen versetzt wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Strukturelemente in verschiedenen Bereichen des Bauteils so geformt und/oder ausgerichtet werden, dass in jedem der Bereiche die Richtung der höchsten Biegesteifigkeit der Versteifungsstruktur mit der Richtung der höchsten Schwingungs- und/oder Biegebeanspruchung des jeweiligen Bereichs zusammenfällt. Dies lässt sich bevorzugt dadurch erreichen, dass die Strukturelemente der Versteifungsstruktur in verschiedenen Bereichen des Bauteils je nach Schwingungs- und/oder Biegebeanspruchung des jeweiligen Bereichs unterschiedliche Anisotropien besitzen, wobei sie in Bereichen mit einer im Wesentlichen unidirektionalen Schwingungs- und/oder Biegebeanspruchung eine starke Anisotropie besitzen, während sie in Bereichen des Bauteils mit einer im Wesentlichen multidirektionalen Schwingungs- und/oder Biegebeanspruchung eine geringe Anisotropie besitzen.
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Dort, wo es sich bei dem Bauteil um ein Wärmeabschirmblech für eine Brennkraftmaschine oder ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs handelt, weist es vorteilhaft zwei oder mehr zur Befestigung an der Brennkraftmaschine oder am Getriebe dienende überstehende Befestigungszungen oder -lappen auf, wobei die Strukturelemente der Versteifungsstruktur im Bereich der Befestigungszungen oder -lappen wegen der in diesem Bereich auftretenden hohen unidirektionalen Schwingungs- und/oder Biegebeanspruchung zweckmäßig langgestreckte, allgemein parallel zu einer Längsachse der Befestigungszungen oder -lappen und der Richtung der Biegebeanspruchung ausgerichtete Rippen und/oder Rillen umfassen und somit eine stärkere Anisotropie als die bevorzugt als Warzen und/oder Sicken ausgebildeten Strukturelemente in den übrigen Bereichen des Wärmeabschirmblechs besitzen, die im Wesentlichen multidirektionalen Schwingungs- und/oder Biegebeanspruchungen ausgesetzt sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische perspektivische Ansicht eines an einer Brennkraftmaschine montierten Wärmeabschirmblechs;
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2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des Wärmeabschirmblechs entsprechend dem Ausschnitt II in 1;
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3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht wie in 2, jedoch von einem Wärmeabschirmblech mit einer anderen Versteifungsstruktur;
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4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des Wärmeabschirmblechs entsprechend dem Ausschnitt IV in 1.
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Das in der Zeichnung dargestellte, in einem Motorraum an einem Verbrennungsmotor 1 eines Personenkraftwagens montierte Wärmeabschirmblech 2 dient dazu, andere wärmeempfindliche Komponenten (nicht dargestellt) des Personenkraftwagens, die in der Nähe des Verbrennungsmotors 1 im Motorraum untergebracht sind, vor der vom Verbrennungsmotor 1 oder seinem Abgassystem abgestrahlten Wärme zu schützen.
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Das Wärmeabschirmblech 2 besteht aus einem gestanzten und umgeformten Stück Metallblech, das im Wesentlichen aus einem flachen Wärmeabschirmteil 3 mit einem gerundeten äußeren Umriss sowie zwei über eine Längsseite 4 des Wärmeabschirmteils 3 überstehenden, leicht abgebogenen Befestigungszungen 5, 6 besteht, die zur einseitigen Befestigung des ansonsten freistehenden Wärmeabschirmblechs 2 an einer äußeren Oberfläche 7 eines Zylinderkurbelgehäuses des Verbrennungsmotors 1 dienen. Zu diesem Zweck weist jede der beiden Befestigungszungen 5, 6 eine durchgehende Bohrung (nicht sichtbar) auf, durch die jeweils eine Befestigungsschraube 8 in eine darunter liegende Innengewindebohrung (nicht sichtbar) im Zylinderkurbelgehäuse eingeschraubt ist.
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Da das Zylinderkurbelgehäuse im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 in Schwingungen versetzt wird, werden diese Schwingungen über die Befestigungsschrauben 8 auf das Wärmeabschirmblech 2 übertragen, wodurch dieses ebenfalls zu Schwingungen angeregt wird. Wenn die vom Verbrennungsmotor 1 übertragenen Anregungsschwingungen Frequenzen aufweisen, die mit Eigenschwingungsfrequenzen des Wärmeabschirmblechs 2 zusammenfallen, führt dies zu einer mehr oder weniger starken Überhöhung der Schwingungsamplituden des Wärmeabschirmblechs 2, dessen Hauptschwingungsrichtung allgemein senkrecht zu einer vom Wärmeabschirmteil 3 aufgespannten Ebene ist, wie durch den Doppelpfeil A in 1 dargestellt. Darüber hinaus werden im Wärmeabschirmteil 3 jedoch auch noch andere multidirektionale Schwingungen erzeugt, d. h. Schwingungen mit unterschiedlichen Schwingungsrichtungen, wie durch die Pfeile B in 1 angezeigt.
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Diese unterschiedlichen Schwingungsformen führen in Verbindung mit unterschiedlichen Querschnittsabmessungen des Wärmeabschirmblechs 2 dazu, dass in diesem innere Spannungen und Biegebeanspruchungen auftreten, die nicht gleichmäßig über das Wärmeabschirmblech 2 verteilt sind. Während sich die Spannungen und Biegebeanspruchungen im Bereich des Wärmeabschirmteils 3 aufgrund der unterschiedlichen Schwingungsrichtungen tendenziell gleichmäßig in alle Richtungen ausbilden und keine gefährlich hohen Werte erreichen, treten im Bereich der Befestigungszungen 5, 6 hohe innere Spannungen und Biegebeanspruchungen auf, deren Richtung in 1 durch die Pfeile C angezeigt ist. Diese Spannungen und Biegebeanspruchungen können insbesondere zwischen den Befestigungsschrauben 8 und der benachbarten Längsseite 4 des Wärmeabschirmteils 3 Werte annehmen, die ohne geeignete Gegenmaßnahmen zu einem Ermüdungsbruch der Befestigungszungen 5, 6 führen können.
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Um das Risiko eines Ermüdungsbruchs der Befestigungszungen 5, 6 des Wärmeabschirmblechs 2 zu vermindern oder ganz zu beseitigen, wird das zu seiner Herstellung verwendete ebene Metallblech umgeformt, so dass die niedrigste Eigenschwingungsfrequenz des Wärmeabschirmblechs 2 höher ist als die höchste anregungsrelevante im Betrieb des Verbrennungsmotors auftretende Anregungsfrequenz. Da sich dies erreichen lässt, indem man das Wärmeabschirmblech 2 so leicht und biegesteif wie möglich macht, wird das Wärmeabschirmblech 2 beim Umformen mit einer dreidimensionalen Versteifungsstruktur 9 versehen. Die Versteifungsstruktur 9 wird durch Prägen oder Tiefziehen derart in das ursprünglich ebene Metallblech eingeformt, dass sie sich über die gesamte Oberfläche des Wärmeabschirmblechs 2 erstreckt. Die Versteifungsstruktur 9 besteht aus einer Mehrzahl von sich periodisch wiederholenden Strukturelementen 10, 11, 12 die nach entgegengesetzten Seiten über die ursprünglich ebenen Breitseitenflächen des unverformten Metallblechs überstehen. Durch die Form der Strukturelemente 10, 11, 12 wird ein Prägemuster 13, 14, 15 festgelegt, das die Versteifungsstruktur bzw. das Wärmeabschirmblech 2 nach dem Prägen besitzt.
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Wie in 1 schematisch dargestellt, weist die eingeprägte Versteifungsstruktur 9 nicht über die gesamte Oberfläche des Wärmeabschirmblechs 2 dasselbe Prägemuster auf, sondern setzt sich in verschiedenen Bereichen 3 bzw. 5, 6 des Wärmeabschirmblechs 2 aus unterschiedlich geformten Strukturelementen 10, 11, 12 zusammen, deren Form so an die Schwingungs- und/oder Biegebeanspruchungen des jeweiligen Bereichs 3 bzw. 5, 6 des Wärmeabschirmblechs 2 angepasst ist, dass in jedem Bereich 3, 5, 6 die Richtung der höchsten Biegesteifigkeit der Versteifungsstruktur 9 mit der Richtung der höchsten Schwingungs- und/oder Biegebeanspruchung zusammenfällt.
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Da im Bereich des Wärmeabschirmteils 3 des Wärmeabschirmblechs 2 multidirektionale Schwingungen vorherrschen, wie durch die Pfeile B in 1 angezeigt, weist die Versteifungsstruktur 9 dort ein Prägemuster 13 oder 14 mit einer geringen Anisotropie auf, wie in 1 innerhalb des Ausschnitts II schematisch dargestellt.
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Wie in 2 dargestellt, kann der Wärmeabschirmteil 3 dazu mit einer Versteifungsstruktur 9 in Form eines regelmäßigen Rasters von warzenartigen Erhebungen 16 bzw. muldenförmigen Vertiefungen 17 versehen sein, die in gleichen Abständen entlang von zwei zur Ebene des unverformten Blechs parallelen und zueinander senkrechten Achsen X und Y angeordnet sind. Die von einer Erhebung 16 und einem Teil einer umgebenden Vertiefung 17 gebildeten Strukturelemente 10 werden von entgegegensetzten Seiten her in das unverformte Metallblech eingeprägt, so dass ihre Scheitel nach entgegengesetzten Seiten über die ursprünglichen ebenen Breitseitenflächen des Metallblechs überstehen. Die Form der Erhebungen 16 und Vertiefungen 17 ist warzenförmig und ähnelt entfernt derjenigen der Erhebungen und Vertiefungen eines Eierkartons, wie aus 2 ersichtlich ist. Die Biegesteifigkeit eines solchen Prägemusters 13 ist gegenüber der Biegesteifigkeit des unverformten ebenen Metallblechs in allen Richtungen deutlich erhöht, jedoch gibt es infolge der Symmetrie des Prägemusters 13 zu den Achsen X, Y sowie zwei weiteren Achsen S und T mehrere Vorzugsrichtungen, in denen die Biegesteifigkeit höher oder niedriger als in den übrigen Richtungen ist.
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Wie in 3 dargestellt, kann der Wärmeabschirmteil 2 auch mit einer Versteifungsstruktur 9 oder einem Prägemuster 14 versehen sein, dessen Strukturelemente 11 die Form von abwechselnden Erhebungen 18 und Vertiefungen 19 aufweisen, die jeweils durch drei ebene unter einem Winkel zueinander geneigte rautenförmige Flächenabschnitte 20 des verformten Metallblechs begrenzt werden, wobei jeder der rautenförmigen Flächenabschnitte 20 bei Betrachtung von einer Seite des Wärmeabschirmblechs 2 her einen Teil einer Erhebung 18 und einer benachbarten Vertiefung 19 bildet.
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Hingegen überwiegt im Bereich der Befestigungszungen 5, 6 eine unidirektionale Schwingung in der Hauptschwingungsrichtung des Wärmeabschirmblechs 2, wie durch den Pfeil A in 1 angezeigt, weshalb die Befestigungszungen 5, 6 mit einer stark anisotropen Versteifungsstruktur 9 bzw. einem stark anisotropen Prägemuster 15 versehen sind, wie in 1 innerhalb des Ausschnitts III schematisch dargestellt. Die Ausrichtung der Strukturelemente 12 dieses Prägemusters 15 ist dabei so gewählt, dass die Biegesteifigkeit der Befestigungszungen 5, 6 in einer zur Hauptschwingungsrichtung senkrechten Richtung gegenüber den anderen Richtungen stark vergrößert ist.
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Wie in 4 dargestellt, sind die Befestigungszungen 5, 6 mit einer Versteifungsstruktur 9 bzw. einem Prägemuster 15 in Form eines Wellenprofils versehen, dessen Strukturelemente 12 aus langgestreckten rippenartigen Vorsprüngen 21 und zwischen den Vorsprüngen 21 angeordneten langgestreckten rinnenartigen Vertiefungen 22 bestehen, die allgemein parallel zueinander und zu der durch die Pfeile C in 1 angezeigten Richtung der hauptsächlichen Spannungen oder Biegebeanspruchungen ausgerichtet sind. Die rippenartigen Vorsprünge 21 und die rinnenartigen Vertiefungen 22 können in ihrer Längsrichtung gerade sein oder ebenfalls eine gewisse Welligkeit aufweisen, wie in 4 dargestellt, jedoch ist diese Welligkeit nur sehr gering ausgeprägt, so dass die Biegesteifigkeit des Prägemusters 19 in Längsrichtung der Vorsprünge 21 und Vertiefungen 22 erheblich höher als in einer dazu senkrechten Richtung ist.
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Sämtliche Versteifungsstrukturen 9 besitzen hinsichtlich der Höhe und Periode der Strukturelemente 10, 11, 12 Abmessungen, die vorzugsweise im Bereich von einigen Millimetern liegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Wärmeabschirmblech
- 3
- Wärmeabschirmteil
- 4
- Längsseite
- 5
- Befestigungszunge
- 6
- Befestigungszunge
- 7
- Oberfläche Verbrennungsmotor
- 8
- Befestigungsschraube
- 9
- Versteifungsstruktur
- 10
- Strukturelemente
- 11
- Strukturelemente
- 12
- Strukturelemente
- 13
- Prägemuster
- 14
- Prägemuster
- 15
- Prägemuster
- 16
- Erhebungen
- 17
- Vertiefungen
- 18
- Erhebungen
- 19
- Vertiefungen
- 20
- Flächenabschnitte
- 21
- rippenartige Vorsprünge
- 22
- rinnenartige Vertiefungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007024553 A1 [0003]
- DE 19925492 A1 [0004]
