DE10220544B4

DE10220544B4 - Befestigungselement für einen Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE10220544B4
Application number: DE2002120544
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Freitag Marius
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2022-05-09
Also published as: DE10220544A1

Abstract

Befestigungselement für einen Wärmeübertrager, wobei der Wärmeübertrager durch ein Kühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist, zur Abstützung gegenüber einem Rahmen des Kraftfahrzeuges, mit einem extrudierten Hohlprofil (15), wobei das Hohlprofil (15) mit einem dreiecksförmigen Hohlraum ausgebildet ist, drei jeweils im Bereich der Eckpunkte angeordnete, als Flanschplatten (22, 23, 24) ausgebildete Befestigungspunkte aufweist, das Hohlprofil (15) als Hohlprofil ausgebildet ist und das Hohlprofil drei Seitenwände (16, 17, 18) aufweist, von denen die erste Seitenwand (16) und die zweite Seitenwand (17) gleich und symmetrisch zu einer Mittelachse (m) ausgebildet sind und zum Inneren des Hohlprofils (15) gewölbt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement für einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kühlmodul eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges zur elastischen Abstützung gegenüber einem Rahmen des Kraftfahrzeuges.
Kühlmodule sind Aggregate von mehreren Wärmeübertragern wie Kühlmittelkühler, Ladeluftkühler, Kondensator oder Ölkühler, die zu einer Baueinheit bzw. Modul zusammengefasst und über eine gemeinsame Lagerung gegenüber dem Fahrzeug abgestützt werden. Insbesondere bei Nutzfahrzeugen treten aufgrund der relativ großen Massen der Wärmeübertrager und von Schwingungen des Fahrzeuges erhebliche Kräfte auf, die von der elastischen Lagerung des Kühlmoduls aufgenommen werden müssen. Ein derartiges Kühlmodul wurde durch die DE 100 18 001 A1 bekannt, und durch die DE 100 18 000 A1 wurde ein elastisches Lager für ein solches Kühlmodul vorgeschlagen. Aufgrund der winkelförmigen Ausbildung des Befestigungselementes für dieses Lager ergeben sich Schub- und Biegespannungen, d. h. eine erhöhte Belastung für die Befestigungselemente. Diese müssen daher entsprechend stark dimensioniert werden, was sich nachteilig auf das Gewicht bzw. die Kosten auswirkt. Darüber hinaus wird ein solches Lager aus dickem Stahlblech hergestellt, welches bearbeitet und verformt sowie mit anderen Teilen verschraubt, verschweißt oder gefügt werden muss. Dies erhöht die Herstellungskosten. Im Übrigen sind die Gestaltungsmöglichkeiten einer solchen Bauweise eingeschränkt.
Durch die DE 33 03 986 A1 der Anmelderin wurde ferner eine Befestigung für einen Kühler bekannt, bei welchem Seitenteile mittels Steckbolzen mit den Wasserkästen zu einem festen Rahmen verbunden sind. An den Seitenteilen sind zur Abstützung des Kühlers auf dem Fahrzeugrahmen Beschläge befestigt, die aus Stahlblech hergestellt, winkelförmig ausgebildet und durch seitliche dreieckförmige Winkelbleche versteift sind. Auch dieser Beschlag ist infolge starker Biegebeanspruchung erhöhten Belastungen ausgesetzt und darüber hinaus fertigungs- und kostenaufwendig.
Die DE 696 02 973 T2 offenbart ein Fahrzeug mit einem Trägerrahmen aus einem Profil.
Die US 5 685 364 A offenbart einen Kondensator mit einer aufschnappbaren Klammer zur Befestigung an einem Karosseriebauteil.
Die DE 101 49 178 A1 offenbart eine Trägeranordnung für eine Kraftfahrzeugkühlereinrichtung.
Die JP H08 142 689 A offenbart eine Installationsstruktur zur Montage eines Kühlers.
Die DE 101 49 443 A1 offenbart eine Trägeranordnung für eine Kraftfahrzeugkühlereinrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Befestigungselement der eingangs genannten Art, wie es beispielsweise in der Druckschrift DE 100 18 000 A1 offenbart ist, d. h. insbesondere für eine Befestigung an den Seitenteilen eines Kühlmoduls dahingehend zu verbessern, dass es eine günstige Spannungsverteilung aufweist, damit geringeren Beanspruchungen unterliegt und leichter und kostengünstiger hergestellt werden kann und ein solches Befestigungselement in geeigneter Weise mit dem Seitenteil des Kühlmoduls zu verbinden ist, d. h. dass eine kostengünstige Krafteinleitung vom Kühlmodul in die Befestigungselemente vorliegt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und auch durch die des nebengeordneten Anspruches 10 gelöst. Durch die Ausbildung des Befestigungselementes als extrudiertes Profil ergeben sich die Vorteile einer kostengünstigen Herstellung und erweiterter Gestaltungsmöglichkeiten. Das Profil lässt sich in der erfindungsgemäßen Querschnittsform und in größeren Längen einfach durch Extrusion aus einer Aluminium- oder Stahllegierung herstellen und kann dann auf die erforderliche Länge bzw. Breite des Beschlages zugeschnitten werden. Im Anschluss daran brauchen nur noch die Bohrungen für die Befestigung des Profils gesetzt zu werden. Dies bringt eine einfache und kostengünstige Herstellung mit sich und – bei Verwendung des Werkstoffes Aluminium – auch ein leichteres Bauteil. Mittels des Profils kann ein Wärmetauscher mittels elastischer Elemente auch elastisch aufgenommen und gelagert werden.
Erfindungsgemäß ist das Befestigungselement (der Beschlag) als Hohlprofil ausgebildet, wodurch sich eine günstige Spannungsverteilung für das Bauteil ergibt, weil im Wesentlichen nur Zug- und Druckbeanspruchungen auftreten. Das Hohlprofil, welches etwa einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist, ist mit zwei Befestigungspunkten, also quasi mit zwei „Ecken” des Dreiecks am Kühlmodul bzw. an dessen Seitenteil befestigt. Die dritte „Ecke” des Dreiecks bildet den Abstützpunkt gegenüber dem Rahmen des Kraftfahrzeugs. Durch diese Krafteinleitung ergibt sich für die obere Seite des Dreiecks, d. h. die in Richtung der Schwerkraft oben liegende Wandung des Hohlprofils im Wesentlichen eine Druckspannung, während sich für die untere Seite des Dreiecks, d. h. die untere Seitenwand des Hohlprofils eine Zugspannung ergibt. Dadurch kann eine niedrigere zulässige Spannung für die Dimensionierung dieses Beschlages gewählt werden. Dies ergibt ein leichteres und kostengünstig herstellbares Bauteil. Biege- und Torsionsspannungen treten bei dieser Bauteilgestaltung nur in sehr vermindertem Maße auf, weil die flanschartig ausgebildeten Befestigungspunkte sehr nahe an den Eckpunkten des Hohlprofils liegen, d. h. nur geringe Hebelarme auftreten.
Erfindungsgemäß sind zwei der drei Seitenwände des Hohlprofils, die Zug- und Druckbelastung aufnehmen, konkav ausgebildet, d. h. sie sind nach innen gewölbt. Vorteilhafterweise wird die gewölbte Fläche auf der Innen- und auf der Außenseite durch Radien gebildet, d. h. durch Kreisbögen. Durch diese Wölbung der Seitenwände des Hohlprofils ergibt sich eine noch günstigere Spannungsverteilung, insbesondere in den Eckbereichen, wo die Kräfte aus den drei Befestigungspunkten in die Seitenwände des Hohlprofils eingeleitet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Hohlprofil einschließlich der drei Flansche annähernd die gleiche Wandstärke auf, was sich besonders günstig auf das Fließverhalten des Werkstoffes beim Strangpressen auswirkt. Dadurch wird auch ein gleichmäßiger Faserverlauf in den Wänden des Hohlprofils erzielt, was vorteilhaft für die Spannungsverteilung ist.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die Wandstärken nur in den Übergangsbereichen zwischen den Seitenwänden und den jeweiligen Befestigungsflanschen verstärkt, weil in diesen Bereichen die stärksten Beanspruchungen für den Beschlag auftreten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Hohlprofil in Form eines gleichschenkligen Dreiecks ausgebildet, wobei die gleichen Schenkel, d. h. die Zug- und die Druckstrebe dieses Hohlprofils einen Winkel von etwa 80° einschließen, d. h. die beiden anderen Winkel sind dann jeweils ca. 50°. Dies ergibt eine optimale Krafteinleitung in das Hohlprofil, d. h. im Wesentlichen Zugspannung in der unteren und im Wesentlichen Druckspannung in der oberen Strebe.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weisen die Befestigungsflansche kühlmodulseitig Bohrungen für Niete auf, während der fahrzeugseitige Flansch eine größere Bohrung zur Aufnahme eines Schwingmetalls aufweist. Der Beschlag kann somit einfach und kostengünstig am Kühlmodul bzw. dessen Seitenteil durch Nieten befestigt und andererseits einfach durch elastische Abstützung am Fahrzeug gelagert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschreiben. Es zeigen
1 einen Ladeluftkühler mit Befestigungselementen,
1a eine Seitenansicht des Ladeluftkühlers gemäß 1
1b eine Draufsicht des Ladeluftkühlers nach 1,
2 das Befestigungselement für den Ladeluftkühler gemäß 1,
2a eine Seitenansicht des Befestigungselements nach 2,
2b eine Draufsicht des Befestigungselementes nach 2 und
2c eine perspektivische Ansicht des Befestigungselementes nach 2.
1 zeigt einen Ladeluftkühler für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Ein solcher Ladeluftkühler wird meistens mit weiteren Wärmeübertragern wie Kühlmitteluftkühler, Kältemittelkondensator und Ölkühler sowie Kühlmittelausgleichsbehältern zu einer Baugruppe, einem so genannten Kühlmodul, zusammengefasst, welches dann durch eine gemeinsame Lagerung gegenüber dem Rahmen des Fahrzeuges abgestützt wird. Hier ist exemplarisch nur der Ladeluftkühler 1 dargestellt: er weist ein zentral angeordnetes Netz 2, bestehend aus nicht dargestellten Rohren und Rippen auf, wobei die Rippen von Umgebungsluft, senkrecht zur Stirnfläche 2a (Zeichenebene), durchströmt werden und die Rohre von Ladeluft. Beiderseits des Netzes 2 sind – in der Zeichnung oben und unten – so genannte Luftkästen 3 und 4 angeordnet, die mit den nicht dargestellten Rohren in Strömungsverbindung stehen und jeweils einen Ladelufteinlass 5 sowie einen Ladeluftauslass 6 aufweisen. Zu beiden Seiten des Netzes 2 – in der Zeichnung rechts und links – sind Seitenteile 7 und 8 angeordnet, die mit ihren Enden, die als seitliche Wangen 7a, 7b und 8a, 8b ausgebildet sind, mit den Luftkästen 3 und 4 formschlüssig verbunden sind. Eine ähnliche Verbindung von Wasserkästen einerseits und Seitenteilen andererseits zu einem festen Rahmen ist z. B. durch die eingangs erwähnte DE-A 33 03 986 der Anmelderin bekannt. Die Seitenteile 7, 8 weisen im Querschnitt ein U-Profil auf und sind aus Stahlblech hergestellt. Etwa in der Mitte der Seitenteile 7 und 8 sind Befestigungselemente 9, 10, so genannte Seitenteilbeschläge, angeordnet und mittels Nietverbindungen 30, 31, 32, 33 an den Seitenteilen befestigt. Beide Seitenteilbeschläge 9, 10 weisen eine kreisförmige Öffnung 11 und 12 auf, die ein nicht dargestelltes elastisches Befestigungsglied zur Abstützung des Ladeluftkühlers 1 gegenüber dem nicht dargestellten Fahrzeugrahmen aufnimmt. Damit stützt sich das gesamte Gewicht des Ladeluftkühlers 1 sowie auch die in Schwerkraftrichtung auftretenden Massenkräfte über diese beiden Beschläge 9 und 10 gegenüber dem Fahrzeugrahmen ab. Zusätzlich sind an den beiden Seitenteilen 7, 8 zwei Befestigungslaschen 13, 14 vorgesehen, die im Wesentlichen Kippkräfte aufnehmen sollen, die sich aus einer Nickbewegung des Ladeluftkühlers 1 um eine horizontale, durch die Beschläge 9 und 10 verlaufende Achse ergeben. Durch diese vier Befestigungselemente 9, 10, 13, 14 wird der Ladeluftkühler 1 bzw. weitere mit ihm zu einem Kühlmodul verbundene Wärmeübertrager statisch bestimmt gegenüber dem Fahrzeugrahmen abgestützt.
2 zeigt den Seitenteilbeschlag 10, der identisch mit dem Beschlag 9 ist, in vergrößerter Darstellung. Dieser Beschlag 10 besteht aus einem extrudierten, dreieckfömigen Hohlprofil 15, welches sich aus drei Seitenwänden, nämlich zwei gleichen, symmetrisch zu einer Mittelachse m angeordneten Schenkeln 16, 17 und einer Basis 18 zusammensetzt. Die beiden Schenkel 16, 17 bilden dabei die erste und die zweite Seitenwand, während die Basis 18 die dritte Seitenwand bildet. Die drei Seitenwände 16, 17, 18 laufen an drei Eckpunkten 19, 20, 21 zusammen und setzen sich über diese Eckpunkte hinaus als Flanschplatten 22, 23, 24 fort. Die beiden symmetrischen Seitenwände 16 und 17 sind konkav ausgebildet, d. h. nach innen (zum Inneren des Hohlprofils 15) gewölbt. Dies ist durch einen ersten Radius R1 für die Außenfläche der Seitenwand 17 und einen zweiten Radius R2 für die Innenfläche der Seitenwand 17 angedeutet. Auf der Innenseite des Hohlprofils 15 gehen die Seitenwände 16, 17, 18 unter Bildung von Übergangsradien r1, r2, r3 ineinander über. Das Hohlprofil 15 weist im Wesentlichen eine gleichmäßige Wandstärke s auf, allerdings hat die Basis 18 des Hohlprofils 15 eine etwas geringere Wandstärke s1. Die Außenfläche des Wandstückes 18 ist gegenüber den beiden Flanschplatten 23, 24 durch einen Absatz 25, 26 zurückgesetzt. Dadurch ergibt sich für den Beschlag 10 eine eindeutige Anlage mit den beiden Flanschplatten 23, 24 auf dem Seitenteil 8 bzw. 7.
Das Hohlprofil 15 bildet – wie erwähnt – ein etwa gleichschenkliges Dreieck, wobei die beiden gleichen Schenkel 16, 17 einen Winkle α von etwa 80° einschließen, während die beiden Basiswinkel β jeweils ca. 50° betragen. Das Hohlprofil 15 weist also drei Befestigungsflansche auf, von denen zwei, nämlich 23, 24 für die Befestigung an den Seitenteilen 7, 8 vorgesehen sind, während der dritte Flansch 22 der fahrzeugseitigen Befestigung dient. Dafür weist der Flansch 22 eine Bohrung 27 auf, welche der Aufnahme eines hier nicht dargestellten an sich bekannten Schwingmetalles, also eines elastischen Befestigungsgliedes dient, welches dann seinerseits am ebenfalls nicht dargestellten Rahmen des Kraftfahrzeuges befestigt wird. Die beiden anderen Flanschplatten 23, 24 weisen jeweils zwei Bohrungen 28, 29 auf, welche für die Aufnahme von Nieten bestimmt sind. Die entsprechenden Nietverbindungen 30, 31, 32, 33 sind in 1 dargestellt.
Das vorstehend beschriebene Hohlprofil 15 mit den Befestigungsflanschen 22, 23, 24 wird durch Extrusion aus einer Aluminium-Strangpresslegierung hergestellt – allerdings wäre auch eine Extrusion aus einer hierfür geeigneten Stahllegierung möglich. Die Extrusionsrichtung bei diesem Hohlprofil 15 verläuft in 2 senkrecht zur Zeichenebene und ist in 2a durch Pfeile E und (E) gekennzeichnet.
Das gesamte Gewicht des Ladeluftkühlers 1 bzw. eines entsprechenden Kühlmoduls stützt sich somit über die beiden Beschläge 9, 10 gegenüber dem Fahrzeug ab, wobei die Kräfte von den Seitenteilen 7, 8 über die Nietverbindungen 30, 31, 32, 33 in die Beschläge 9, 10 und von dort über den Flansch 22 und das elastische Befestigungsglied auf den Fahrzeugrahmen übertragen werden. Bei dieser Belastung durch in der Senkrechten wirkende Kräfte wird jeweils eine Seitenwand, d. h. einer der beiden gleichen Schenkel 16, 17 auf Zug und der andere auf Druck beansprucht. Das Hohlprofil 15 bildet somit ein aus drei Streben bestehendes Dreieck, wobei die untere Seitenwand 17 als Zugstrebe und die obere Seitenwand 16 als Druckstrebe fungiert. Bei Schwingungsbelastung und Umkehr der Kraftwirkungsrichtung wechseln natürlich die Druck- und die Zugstrebe. Durch die dreieckförmige Ausbildung des Hohlprofils 15 ergibt sich also im Wesentlichen ein einachsiger Spannungszustand für die Seitenwände 16 und 17, d. h. Biege- und Torsionsspannungen treten praktisch nicht auf bzw. nur in einem erheblichen reduzierten Umfang. Dies geschieht im Wesentlichen in dem Übergangsbereich 19, wo die beiden Seitenwände bzw. Zug- und Druckstreben 16, 17 in den Befestigungsflansch 22 übergehen – deshalb ist dort die Wandstärke etwas erhöht. Aufgrund der Auflagerkraft im Flansch 22 ergibt sich ein über die Nietverbindungen 32, 33 in das Seitenteil 7 eingeleitetes Moment (in gleicher Weise für das Seitenteil 8). Beide Seitenteile 7, 8 weisen jedoch – wie oben erwähnt – ein U-förmiges Profil auf, so dass sie in der Lage sind, dieses mittig eingeleitete Biegemoment unter elastischer Verformung aufzunehmen. Dies verleiht der Aufhängung des gesamten Kühlmoduls eine zusätzliche Elastizität, zumal die Seitenteile aus Stahlblech hergestellt sind.

Claims

Befestigungselement für einen Wärmeübertrager, wobei der Wärmeübertrager durch ein Kühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist, zur Abstützung gegenüber einem Rahmen des Kraftfahrzeuges, mit einem extrudierten Hohlprofil (15), wobei das Hohlprofil (15) mit einem dreiecksförmigen Hohlraum ausgebildet ist, drei jeweils im Bereich der Eckpunkte angeordnete, als Flanschplatten (22, 23, 24) ausgebildete Befestigungspunkte aufweist, das Hohlprofil (15) als Hohlprofil ausgebildet ist und das Hohlprofil drei Seitenwände (16, 17, 18) aufweist, von denen die erste Seitenwand (16) und die zweite Seitenwand (17) gleich und symmetrisch zu einer Mittelachse (m) ausgebildet sind und zum Inneren des Hohlprofils (15) gewölbt sind.
Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (15) aus einer Aluminium-Strangpresslegierung hergestellt ist.
Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Seitenwände (16, 17, 18) mit Radien (r1, r2, r3) ineinander übergehen.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven Seitenwände (16, 17) derart nach innen gewölbt sind, dass ihre Außen- und Innenflächen jeweils einen Radius (R1, R2) bilden.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenwand (16) und die zweite Seitenwand (17) eine gleichmäßige Wandstärke (s) aufweisen und die dritte Seitenwand (18) eine gleichmäßige Wandstärke (s1) aufweist, wobei die Wandstärke (s1) geringer ist als die Wandstärken (s).
Befestigungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (s) im Bereich des Überganges zwischen zwei Seitenwänden und einer Flanschplatte (22, 23, 24) kontinuierlich verstärkt ist.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eckpunkte des Hohlprofils, welche sich jeweils an einem Stoßpunkt zweier der drei Seitenwandungen (16, 17, 18) an ihrer zum Zentrum des Hohlraums gerichteten Fläche ergeben ein gleichschenkliges Dreieck bilden, wobei der Winkel α zwischen der ersten Seitenwandung (16) und der zweiten Seitenwandung (17) im Bereich von 70° ≤ α ≤ 90° liegt.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kühlmodulseitigen Flanschplatten Bohrungen für die Aufnahme von Nieten aufweisen.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Flanschplatte eine Bohrung zur Aufnahme eines elastischen Befestigungsgliedes aufweist.
Wärmeübertrager, wobei der Wärmeübertrager durch ein Kühlmodul gebildet ist, wobei das Kühlmodul aus einem Kühlmittelkühler und/oder Ladeluftkühler für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges gebildet ist, mit als Stahlblechprofil ausgebildeten Seitenteilen, die Befestigungselemente zur elastischen Aufhängung des Wärmeübertragers im Fahrzeug aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet und wärmeübertragerseitig mit zwei Befestigungspunkten am Seitenteil anliegen und fahrzeugseitig mit einem Befestigungspunkt elastisch abgestützt sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeübertragerseitigen Befestigungspunkte als Nietverbindungen zwischen Flanschplatten (22, 23, 24) und Seitenteil ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (15) zwischen den beiden Nietverbindungen Absätze (25, 26) aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die als Hohlprofile (15) ausgebildeten Befestigungselemente zur Aufnahme von in der Senkrechten wirkenden Kräften ausgebildet und dass mindestens eine zusätzliche Befestigungslasche (13, 14) zur Aufnahme von in der Horizontalen wirkenden Kräften am Seitenteil befestigt sind.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrusionsrichtung E der Hohlprofile (15) senkrecht zu einer Stirnfläche des Wärmeübertragers verläuft.