DE102014209589A1

DE102014209589A1 - Thermisch belastetes Bauteil

Info

Publication number: DE102014209589A1
Application number: DE102014209589.1A
Authority: DE
Inventors: Gabriele Fruhmann; Magdalena Völker
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Bei einem thermisch belasteten Bauteil (1), bestehend aus voneinander beabstandeten Rahmenteilen (2) und einem dazwischenliegenden, mit den Rahmenteilen fest verbundenen Plattenteil (3) mit einem im Wesentlichen isotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei die thermischen Längenänderungen des Plattenteils größer sind als die Abstandsänderungen zwischen den Rahmenteilen, wird erfindungsgemäß eine hochgradige thermische Formstabilität ohne seitliche Zwängungskräfte insbesondere im Bereich der Seitenränder (4) des Plattenteils dadurch erreicht, dass das Plattenteil zumindest teilweise eine auxetischen Gitterstruktur (5) besitzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein thermisch belastetes Bauteil, bestehend aus voneinander beabstandeten Rahmenteilen und einem dazwischenliegenden, mit den Rahmenteilen fest verbundenen Plattenteil mit einem im Wesentlichen isotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei die thermischen Längenänderungen des Plattenteils größer sind als die Abstandsänderungen zwischen den Rahmenteilen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Plattenteile dieser Art in Form von Metall- oder Kunststoffblechteilen, welche zwischen auseinanderliegenden, feststehenden Rahmenteilen unverschieblich angeordnet sind und z. B. als Außenhautelemente von Kraftfahrzeugkarosserien Verwendung finden, sind teilweise erheblichen Temperaturschwankungen und entsprechend großen Formänderungen an ihren freien Seitenrändern ausgesetzt, da die von Seiten der Rahmenteile entgegen der thermischen Längendehnung des Plattenteils auf dieses ausgeübten Normalkräfte eine elastische Querdehnung des Plattenteils bewirken und diese sich zusammen mit der gleichgerichteten, seitlichen Wärmeausdehnung zu einer entsprechend erhöhten Deformation des Seitenrandprofils aufsummiert. Eine solche thermisch bedingte Randprofiländerung, die in Abhängigkeit vom Plattenmaterial natürlich unterschiedlich groß ausfällt, ist besonders an engen, vom Plattenrand begrenzten Sichtspalten an Fahrzeugkarosserien problematisch, wo sich bereits eine geringfügige Verformung des Randprofils in einem deutlich erkennbaren Spaltmaßfehler bemerkbar macht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein thermisch belastetes Bauteil der eingangs genannten Art so auszubilden, dass das Plattenteil unter der Einwirkung von Temperaturschwankungen eine hochgradige Formstabilität insbesondere im Bereich der freien Seitenränder aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Bauteil gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.
Erfindungsgemäß wird eine positive oder negative thermische Querdehnung an den Seitenrändern des Plattenteils durch eine entgegengesetzt gerichtete, mechanische Querverformung kompensiert, welche von der auxetischen Plattenstruktur durch die sich unter Temperaturschwankungen ergebenden Längskraftbelastung des Plattenteils seitens der Rahmenteile erzeugt wird. Durch eine entsprechende kinematische Auslegung in Abstimmung mit dem Wärmedehnungsverhalten des auxetischen Gitters unter Einbeziehung von Abstandsänderungen zwischen den Rahmenteilen lässt sich so eine hochgradig temperaturstabile und dennoch seitlich zwängungsfreie Formhaltigkeit insbesondere auch an den Seitenrändern des Plattenteils erzielen, ohne dass es hierzu herstellungsmäßig aufwändiger Materialkombinationen mit gegen Null reduziertem Wärmeausdehnungskoeffizienten bedarf.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das auxetische Plattenteil im Außenhautbereich, etwa an einem Kraftfahrzeug, und der freie Plattenrand zur Begrenzung eines engen Sichtspalts vorgesehen. In diesem Fall werden nicht nur die eingangs erwähnten Spaltmaßfehler, sondern zusätzlich wegen des beulstabilen, synklastischen Deformationsverhaltens der auxetischen Strukturierung auch thermisch bedingte, höchst störende Wellenbildungen an der Außenhaut wirksam unterbunden.
Vorzugsweise ist das auxetische Gitter des Plattenteils nach außen glattflächig durch eine Randeinfassung und/oder eine oberflächenseitige Deckschicht abgeschlossen und diese sind vom Plattenteil kraftentkoppelt, also etwa flexibel ausgebildet, damit sie die Eigenkinematik der auxetischen Struktur nicht durch äußere Krafteinwirkungen behindern.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 ein erfindungsgemäß gestaltetes, thermisch belastetes Bauteil im Längsschnitt; und
2 einen Querschnitt des in 1 gezeigten Bauteils in Form eines Außenhautelements im Bereich enger Sichtspalte.
Das in den Fign. gezeigte, thermisch belastete Bauteil 1 besteht aus zwei voneinander beabstandeten Rahmenteilen 2 und einem dazwischenliegenden, z. B. als Außenhautelement eines Kraftfahrzeugs gestalteten Plattenteil 3, welches eine auxetische Strukturierung 5, also eine negative Poissonzahl, aufweist und stirnseitig in Längsrichtung unverschieblich an den Rahmenteilen 2 befestigt ist, während die seitlichen Plattenränder 4 zwängungskräftefrei gehalten sind.
Unter dem Einfluss von Temperaturschwankungen kommt es am Plattenteil 3 in Abhängigkeit von dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einer mehr oder weniger starken Längs- und Querdeformation. Die thermisch bedingten Abstandsänderungen zwischen den Rahmenteilen 2 sind hingegen verschwindend gering und jedenfalls stets kleiner als die wärmeinduzierte Längendeformation des Plattenteils 3. Wenn daher die Plattentemperatur über den thermisch unbelasteten Zustand ansteigt, wölben sich die freien Seitenränder 4 aufgrund der Querdehnung des Plattenteils 3 nach außen, wie dies in 1 durch die gestrichelte Randkontur angedeutet ist. Zugleich aber wird das Plattenteil 3 wegen der, bezogen auf eine Abstandsänderung zwischen den Rahmenteilen 2, größeren thermischen Expansionswirkung in Längsrichtung seitens der Rahmenteile 2 nach Maßgabe der jeweiligen Plattentemperatur druckkraftbeaufschlagt (Pfeilrichtung P). Von der auxetischen Plattenstruktur 5 wird die Druckbelastung mechanisch in eine entsprechende – durch die strichpunktierte Linie in 1 angedeutete – Querkontraktion des Plattenteils 3 umgesetzt, welche der thermischen Querdehnung entgegenwirkt und dadurch das Seitenrandprofil 4 in Richtung der Ausgangskontur zurückverformt.
Im umgekehrten Fall einer Abkühlung unterhalb des thermisch unbelasteten Zustands erfolgt die Seitenrandstabilisierung auf analoge Weise. In diesem Fall wird das Seitenrandprofil 4 infolge der thermischen Querkontraktion des Plattenteils 3 nach innen deformiert und gleichzeitig am Plattenteil 3 eine Längskontraktion induziert, so dass seitens der Rahmenteile 2 eine wiederum temperaturabhängige Zugkraftbelastung entsteht, welche von der auxetischen Plattenstruktur 5 in eine entsprechende mechanische Querexpansion umgesetzt wird, durch die die thermische Querkontraktion des Plattenteils 3 kompensiert und dadurch das Seitenrandprofil auf den thermisch unbelasteten Zustand stabilisiert wird.
Durch eine entsprechende kinematische Auslegung des auxetischen Gitters 5 in Abstimmung mit dem Wärmedehnungsverhalten und der sich daraus ergebenden stirnseitigen Normalkraftbelastung des Plattenteils 3 lässt sich so eine hochgradig temperaturstabile und dennoch seitlich zwängungsfreie Formhaltigkeit des Plattenteils 3, insbesondere auch an den Seitenrändern 4, erzielen.
In einem typischen Einbaufall im Außenhautbereich eines Kraftfahrzeugs sind die Seitenränder 4 des Plattenteils 3 jeweils zur Begrenzung eines engen Sichtspalts 6 vorgesehen, wobei die auxetische Gitterstruktur 5 seitlich durch eine Randeinfassung 7 und auf der Oberseite durch eine Deckschicht 8 glattflächig verschlossen ist. Damit die Eigenkinematik des auxetischen Gitters 5 durch die Randeinfassung 7 und die Deckschicht 8 möglichst nicht behindert wird, sind diese von der Gitterstruktur 5 kraftentkoppelt bzw. flexibel ausgebildet.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen möglich. So kann das Plattenteil 3 anstatt eben ohne Weiteres auch ein- oder mehrfach gekrümmt sein, wobei durch das synklastische Deformationsverhalten des auxetischen Gitters 5 zusätzlich auch störende Wellenbildungen senkrecht zur Plattenoberfläche unterbunden werden.

Claims

Thermisch belastetes Bauteil (1), bestehend aus voneinander beabstandeten Rahmenteilen (2) und einem dazwischenliegenden, mit den Rahmenteilen fest verbundenen Plattenteil (3) mit einem im Wesentlichen isotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei die thermischen Längenänderungen des Plattenteils größer sind als die Abstandsänderungen zwischen den Rahmenteilen, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenteil (3) zumindest teilweise aus einer auxetischen Struktur (5) besteht.
Thermisch belastetes Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das auxetische Plattenteil (3) seitenrandseitig unter Freilassung eines engen Sichtspalts (6) angrenzend an einen benachbarten Bauteilrand angeordnet ist.
Thermisch belastetes Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auxetische Plattenteil (3) mit einer zwischen den Rahmenteilen (2) verlaufenden, flexiblen Seitenrandeinfassung (7) versehen ist.
Thermisch belastetes Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auxetische Struktur (5) mit einer mit dieser nahezu kräftefrei mitverformten Deckschicht (8) belegt ist.