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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschild zur Abschirmung heißer Bereiche, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Hitzeschildes.
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Derartige Hitzeschilde dienen zum Beispiel bei Motoren von Kraftfahrzeugen, insbesondere im Bereich des Abgasstrangs, dem Schutz nahe bei heißen Bauteilen gelegener temperaturempfindlicher Bauteile und Aggregate gegenüber unzulässiger Erhitzung. Dabei verbessern die Hitzeschilde auch weiterhin den Schallschutz. Zu beachten ist dabei, dass insbesondere an den Befestigungspunkten des Hitzeschildes an einem Bauteil die Schallübertragung von dem Bauteil auf das Hitzeschild minimiert wird. Wird das Hitzeschild an dem oder einem der heißen Bauteile befestigt, ist zudem dafür zu sorgen, dass der Wärmeübergang gering bleibt.
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Üblicherweise sind derartige Hitzeschilde dreidimensional geformte Strukturbauteile, die mindestens eine metallische Blechlage aufweisen. Die dreidimensionale Form der mindestens einen metallischen Blechlage ergibt sich dabei üblicherweise aus der Form der gegeneinander abzuschirmenden Bauteile und deren Abstand zueinander.
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Üblicherweise weist ein Hitzeschild eine oder mehrere metallische Blechlagen auf, die die Kontur des Hitzeschildes bilden. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn zwischen einzelnen Blechlagen oder benachbart zu einer oder mehreren Blechlagen zusätzliche Isolationsschichten, beispielsweise komprimierte Partikelschichten, wie Glimmer- und/oder Graphitschichten oder temperaturstabile Vliese wie Glasfaser- oder Mineralfaservliese angeordnet werden.
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Die Anbindung des Hitzeschildes an das Bauteil erfolgt üblicherweise mittels einer punktweisen Verbindung. Hierzu kann die metallische Blechlage bzw. können sämtliche metallischen Blechlagen mindestens eine Durchgangsöffnung aufweisen, die ein Befestigungselement aufnimmt. Als Befestigungselemente dienen dabei beispielsweise Schrauben, Bolzen, Stifte mit Querbolzen oder Nieten.
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An diesen Befestigungspunkten können über das Befestigungselement Schwingungen aus dem Bauteil, im Falle der Befestigung an einem heißen Bauteil auch Wärme, in das Hitzeschild übertragen werden. Daher ist das Befestigungselement möglichst gegenüber der benachbarten metallischen Blechlage oder den benachbarten metallischen Blechlagen, die es durchdringt, zu isolieren bzw. zu dämpfen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Hitzeschild und ein entsprechendes Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem der Anbindepunkt des Hitzeschildes an das Bauteil verbessert wird, insbesondere die Dämpfung zwischen dem Befestigungselement und dem Hitzeschild mit geringem Materialeinsatz verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird durch das Hitzeschild nach Anspruch 1 oder Anspruch 15 und das Verfahren nach Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hitzeschildes werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Das erfindungsgemäße Hitzeschild weist wie Hitzeschilde im Stand der Technik mindestens eine Blechlage auf, es kann jedoch auch mehrere metallische Blechlagen aufweisen. Diese mindestens eine metallische Blechlage besitzt eine erste und eine zweite Oberfläche. Die metallische Blechlage besitzt in ihrem mindestens einen Anbindepunkt an das Bauteil eine Durchgangsöffnung zur Aufnahme des Befestigungselementes. Das Befestigungselement ist von einer Hülse umgeben, die die Durchgangsöffnung durchdringt bzw. durchgreift.
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Erfindungsgemäß ist nun zwischen dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung und der Hülse ein zusätzliches Entkopplungselement aus einem flexiblen Material angeordnet. Auf diese Art berührt das Entkopplungselement den Innenrand der Durchgangsöffnung wie auch die Bereiche der oberen und unteren Seite des Hitzeschilds, die unmittelbar an die Durchgangsöffnung anstoßen. Als flexibles Material eignet sich hierbei insbesondere ein Drahtgeflecht, insbesondere ein Drahtgestrick, vorzugsweise aus Stahldraht oder Edelstahldraht, oder Silikon.
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Sowohl die Hülse als auch das Entkopplungselement besitzen jeweils einen ringförmigen Halsbereich im Bereich der Durchgangsöffnung. An ihren jeweiligen Enden oberhalb und unterhalb der metallischen Blechlage weisen sie einen ersten Bund und einen zweiten Bund auf. In ihrem Halsbereich weist die Hülse nun im Bereich der Durchgangsöffnung eine konstante Wandstärke auf. Diese Wandstärke erweitert sich in Richtung des ersten Bundes nach außen, sodass sich auf der Außenseite der Hülse ein Übergangsbereich zwischen dem Halsbereich und dem ersten Bund ergibt. Dieser Übergangsbereich weist eine radial nach außen vergrößerte Wandstärke auf. Er ist beispielsweise abgerundet oder abgeschrägt. Der erste Bund der Hülse übergreift nun den ersten Bund des Entkopplungselementes in radialer Richtung. Der Übergangsbereich weist bevorzugt einen Radius oder eine stetige Schräge auf, die als eine Formhilfe für den ersten Bund des Entkopplungselementes dient.
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Es ist allgemein bevorzugt, wenn die Hülse eine rotationssymmetrische Form aufweist, so dass der Übergangsbereich bei allen kreisförmigen Abschnitten der Hülse den gleichen Anstieg radialer Wandstärke aufweist. Für einige Anwendungen kann es jedoch vorteilhaft sein, dass für wenigstens einen oder mehrere besagter Ausschnitte von besagtem Übergangsbereich, die eine erhöhte radiale Wandstärke aufweisen, diese Übergangsbereiche in der Region der Durchgangsöffnung eine erhöhte Wandstärke verglichen mit der Wandstärke des entsprechenden Ausschnittes des Halsbereichs (21) aufweisen.
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Der Vergleich der Wandstärke kann hier auf zwei verschiedene Arten definiert werden. Auf der einen Seite kann man die kreisförmigen Abschnitte der Hülse betrachten und die Dicke der zugeordneten kreisförmigen Abschnitte in dem Halsbereich und in dem Bereich des Übergangsbereichs vergleichen. Auf der anderen Seite kann man die axiale Richtung der Durchgangsöffnung betrachten. Beginnend bei dem Ausschnitt des Übergangsbereichs, welche die erhöhte radiale Wandstärke aufweist, bewegt man sich in der oder parallel zu der axialen Richtung der Durchgangsöffnung und vergleicht die Wandstärke des zugeordneten Halsbereichs.
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Um die vorliegende Erfindung weiter zu verbessern ist es bevorzugt, wenn der Übergangsbereich im Wesentlichen gerade und abgeschrägt gestaltet ist, die Schräge so zu realisieren, das der im Wesentlichen gerade und schräge Bereich und die axiale Richtung der Durchgangsöffnung (beziehungsweise die Erstreckungsrichtung des Hülsenhalses durch die Durchgangsöffnung) einen Winkel β einschließen, wobei 30° ≤ β ≤ 60°, vorzugsweise 40° ≤ β ≤ 50°.
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Um die vorliegende Erfindung weiterhin zu verbessern ist es bevorzugt, wenn der Übergangsbereich als ein Ausschnitt eines Kreisbogens gestaltet ist, den Bogen so zu realisieren, dass der Bogen einen Radius R aufweist, wobei 3,5 mm ≤ R ≤ 6 mm, bevorzugt 3,5 mm ≤ R ≤ 4,5 mm ist.
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Um die vorliegende Erfindung weiter zu verbessern beträgt als eine zusätzliche oder alternative Maßnahme die Höhe H des Übergangsbereichs, gemessen in der axialen Richtung der Durchgangsöffnung, vorzugsweise zwischen 25% und 75% (diese Grenzwerte ausschließend oder einschließend) des Außendurchmessers des Schaftes des Befestigungselements, zum Beispiel einer Schraube, oder des Innendurchmessers der Hülse.
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Die Ausbildung des Anbindepunktes eines Hitzeschildes nach dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Hülse, die in ihrem Durchgangsloch das Befestigungselement, beispielsweise eine Schraube, aufnehmen kann, auch radial gegenüber dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung in der metallischen Blechlage gedämpft ist und somit nach der Montage des Hitzeschildes am Bauteil auch das Bauteil gegenüber dem Hitzeschild entkoppelt ist. Besonders vorteilhaft ist, dass diese vollständige Dämpfung des Befestigungsmittels und der Hülse gegenüber der Blechlage des Hitzeschildes mit lediglich zwei Bauteilen pro Anbindepunkt auskommt. Dieser geringe Materialeinsatz führt gemeinsam mit der einfachen Fertigungstechnik zu großen Kostenvorteilen bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes.
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Durch die Gestaltung der Form der Hülse kann weiterhin die Geometrie des Entkopplungselements und damit auch das Dämpfungsverhalten individuell eingestellt und angepasst werden. So ist es möglich, durch unterschiedliche Ausgestaltung des Übergangsbereiches zwischen Hals und erstem Bund der Hülse beispielsweise als einheitlicher oder gestufter radialer Übergang, als lineare Schräge und dergleichen, das Dämpfungsverhalten des Entkopplungselementes zu bestimmen.
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Weiterhin vorteilhaft ist an dem erfindungsgemäßen Hitzeschild, dass die Hülse und das Entkopplungselement symmetrisch zur Blechlage eingebaut werden können, sodass ein wechselseitiger Einsatz möglich ist. Das erfindungsgemäße Hitzeschild benötigt insbesondere zur Befestigung an dem heißen Bauteil keine besonderen Befestigungsvorrichtungen, insbesondere keine Sonderschrauben oder dergleichen. Es genügt eine herkömmliche, einfache Schraube mit oder ohne Schraubenbund. Auch Beilagscheiben sind nicht erforderlich. Zuletzt ist es durch die Wahl einfacher Befestigungsmittel ohne Bund oder Beilagscheibe oder dergleichen möglich, den Bauraum stark zu verringern.
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Soweit im Vorhergehenden von einer metallischen Blechlage und ihrer Durchgangsöffnung zur Aufnahme eines Befestigungselementes gesprochen wurde, kann jedoch das Hitzeschild auch mehrere metallische Blechlagen aufweisen, die eine gemeinsame, durch sämtliche Blechlagen sich erstreckende Durchgangsöffnung zur Aufnahme eines Befestigungselementes aufweisen. Allgemein gilt hier, dass das für eine metallische Blechlage eines einlagigen Hitzeschild Dargelegte im Falle eines mehrlagigen Hitzeschildes für das gesamte Hitzeschild gilt. Dies betrifft ebenfalls die nachstehende Beschreibung, ausgenommen die Durchgänge, welche ausdrücklich als nur die Hitzeschilde beeinflussend erwähnt sind, die nur in einer metallischen Blechlage bestehen.
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Die Erfindung betrifft insbesondere auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes. Dieses Verfahren zur Herstellung eines Hitzeschildes ist dadurch gekennzeichnet, dass in die Durchgangsöffnung ein Entkopplungselement aus einem flexiblen Material eingebracht wird. Dieses Entkopplungselement umfasst einen ringförmigen Halsbereich, der die Durchgangsöffnung durchdringt, einen verformbaren Überstand, welcher sich nach Einführung über die erste Oberfläche der metallischen Blechlage erstreckt, und einen zweiten Bund, welcher sich auf der zweiten Oberfläche der metallischen Blechlage radial relativ zum Umfangsrand der Durchgangsöffnung nach außen erstreckt. In der Durchgangsöffnung des Halsbereichs des Entkopplungselements ist eine Hülse aufgenommen. Diese Hülse umfasst a) einen ringförmigen Halsbereich, der die Durchgangsöffnung durchdringt, b) einen ersten Bund, welcher sich auf der ersten Oberfläche radial zum Umfangsrand der Durchgangsöffnung nach außen erstreckt und c) einen zweiten Bund, der sich benachbart zu der zweiten Oberfläche radial zum Umfangsrand der Durchgangsöffnung nach außen erstreckt. Während dieser Einführung, wobei das Entkopplungselement und der Hülsenbereich vorzugsweise von gegenüberliegenden Oberflächen des Hitzeschilds eingeführt werden, wird der Überstand des Entkopplungselements zwischen der ersten Oberfläche der metallischen Blechlage und dem ersten Bund der Hülse verpresst, um den ersten Bund des Entkopplungselements auf der ersten Oberfläche zu bilden, so dass sich der erste Bund der Hülse radial über den ersten Bund des Entkopplungselements erstreckt. Hier zeigt die Hülse in dem Teil ihres Halsbereichs, welcher im Bereich der Durchgangsöffnung zu liegen kommt, eine konstante Wandstärke auf, während ihr Übergangsbereich zwischen diesem Halsbereich, der in der Durchgangsöffnung liegt, und ihrem ersten Bund, zumindest abschnittsweise eine Wandstärke aufweist, welche verglichen mit der vorstehend erwähnten Wandstärke nach außen erhöht ist. Dadurch verläuft der Übergangsbereich verglichen mit dem ersten Bund und dem Halsbereich im Bereich der Durchgangsöffnung zumindest abschnittsweise abgerundet oder abgeschrägt. Es ist deshalb möglich, in die Durchgangsöffnung ein Entkopplungselement aus einem flexiblen Material einzubringen, wobei das Entkopplungselement bereits einen ringförmigen Halsbereich und einen verformbaren Überstand umfasst, welche in dem eingebauten Zustand über die erste Oberfläche der metallischen Blechlage übersteht. In dem Bereich des Entkopplungselements, welches über die zweite Oberfläche der metallischen Blechlage übersteht, umfasst das Entkopplungselement einen zweiten Bund, der sich auf der zweiten Oberfläche der Blechlage radial zum Umfangsrand der Durchgangsöffnung nach außen erstreckt.
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Zur Ausbildung des Anbindepunktes wird in die Durchgangsöffnung des Halsbereiches des Entkopplungselementes deshalb eine Hülse eingeführt. Diese Hülse weist ebenfalls einen ringförmigen Halsbereich mit einer Durchgangsöffnung auf, die dann nach vollständiger Montage der Hülse und des Entkopplungselements ein Befestigungselement, beispielsweise eine Schraube, aufnehmen kann. Die Hülse besitzt auf der der ersten Oberfläche der metallischen Lage zugewandten Seite einen ersten Bund, der sich radial nach außen erstreckt. Auf der gegenüberliegenden, welche der zweiten Oberfläche der metallischen Blechlage zugewandt ist, umfasst sie einen zweiten Bund auf. Dieser erstreckt sich ebenfalls radial nach außen.
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Beim Einführen der Hülse in die Durchgangsöffnung des Entkopplungselementes wird der verformbare Überstand durch den ersten Bund der Hülse nach außen umgeformt. Dadurch, dass die Hülse einen radial verbreiterten Übergangsbereich zwischen Hals und erstem Bund aufweist, erfolgt keine reine Stauchung des verformbaren Überstandes, sondern eine Umlenkung nach außen, wodurch sich ein erster Bund des Entkopplungselementes bildet.
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Die Hülse wird soweit durch die Durchgangsöffnung des Halsbereichs des Entkopplungselementes hindurch geführt, dass ihr zweiter Bund den zweiten Bund des Entkopplungselementes überragt. Dadurch ist nun die Hülse innerhalb der Durchgangsöffnung des Entkopplungselementes und das Entkopplungselement innerhalb der Durchgangsöffnung der metallischen Lage fixiert. Der zweite Bund des Entkopplungselements ist also im Gegensatz zum ersten Bund des Entkopplungselements bereits vor dessen Einführung vorgeformt.
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Über die Gestaltung des radial äußeren Übergangsbereiches zwischen dem Halsbereich und dem ersten Bund der Hülse kann insbesondere der Verformungsgrad, der Verpressungsgrad und generell die äußere Gestalt des Entkopplungselementes und damit auch sein Dämpfungsverhalten festgelegt werden, je nachdem wie dieser Übergangsbereich zumindest abschnittsweise abgerundet oder abgeschrägt verläuft und wie groß die Aufdickung dieses Übergangsbereichs ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der verformbare Überstand des Entkopplungselementes an seinem Rand eine Einführschräge für die Hülse längs der schrägen Oberfläche aufweist, die sich entlang des inneren Umfangsrandes der Durchgangsöffnung des Entkopplungselements erstreckt. Diese Einführschräge ist jedoch nicht zwingend. Die Hülse ist vorzugsweise so geformt, dass sie in der Lage ist, selbst in das Entkopplungselement einzudringen und es zu verformen.
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Mit diesen vorgenannten Verfahren können die erfindungsgemäßen Hitzeschilde nach den Ansprüchen hergestellt werden.
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Vorteilhafterweise weist der Übergangsbereich zwischen dem Halsbereich und dem ersten Bund der Hülse auf mindestens 90% seiner radialen, d. h. umlaufenden Erstreckung einen Abstand von der metallischen Lage, insbesondere dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung der metallischen Lage, auf, der größer oder gleich ist wie die Materialdicke des Halsbereiches des Entkopplungselementes im Bereich der Durchgangsöffnung. Damit ist sichergestellt, dass das Entkopplungselement im Übergangsbereich gleichmäßig nach außen umgeformt wird.
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Der Übergangsbereich zwischen dem Halsbereich und dem ersten Bund der Hülse kann abgerundet verlaufen, wobei die Rundung vorteilhafterweise auf mindestens 90% der umlaufenden Erstreckung des Übergangsbereiches einen radialen Krümmungsradius aufweist, der größer ist als die Materialdicke des Halsbereiches des Entkopplungselementes im Bereich der Durchgangsöffnung.
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Zur Arretierung des zweiten Bundes der Hülse kann das Entkopplungselement im Bereich seines zweiten Bundes einen Rücksprung aufweisen. Dies führt dazu, dass in diesem Bereich des Rücksprungs der Innendurchmesser des Entkopplungselementes größer ist als der Innendurchmesser des Entkopplungselementes im Bereich der Durchgangsöffnung. In diesen Rücksprung kann der zweite Bund der Hülse eingreifen und so die Hülse auch auf der zweiten Oberfläche der metallischen Lage fixieren.
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Vorteilhafterweise ist das Entkopplungselement aus einem Drahtgestrick, anderen drahtbasierten Netzstrukturen oder aus Silikon, insbesondere einem Drahtgestrick aus Edelstahl.
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Das freie Ende des Entkopplungselements, welches schließlich durch Interaktion mit der Hülse geformt wird, muss nicht über konstante Länge zylindrisch sein. Unter Betrachten des freien Endes des Entkopplungselements in der radialen Richtung kann es eher abwechselnde Ausschnitte mit unterschiedlicher Länge aufweisen. So kann das freie Ende wie mit Zinnen versehen aussehen oder vergleichbar mit dem Rand eines Kronkorkens sein. Beim Formen des ersten Bundes an diesem freien Rand werden nur die Überstände durch die Hülse nach außen gebogen, während die Ausnehmungen zwischen ihnen den zunehmenden Durchmesser ausgleichen. Auf diese Art kann das Entkopplungselement ohne Erhöhen der Spannung in dem Entkopplungselement geformt werden, so dass es seine Elastizität beibehält.
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Wie bereits oben erwähnt, können die Dämpfungseigenschaften des Entkopplungselementes durch Variation seiner Gestalt oder auch durch Variation der Verpressungsgrade in verschiedenen Bereichen des Entkopplungselementes individuell gestaltet oder eingestellt werden. Im Falle eines Drahtgeflechts können die Eigenschaften des Entkopplungselements auch durch die Wahl des Gestricks beeinflusst werden, etwa durch die Drahtstärke, die Maschenweite etc.
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Sowohl die Hülse als auch das Entkopplungselement können jeweils einteilig und ringförmig in sich geschlossen ausgeführt werden, sodass die Durchgangsöffnung lediglich von einer Hülse und einem Entkopplungselement durchdrungen wird. Weitere Elemente sind nicht nötig. Dadurch ergibt sich ein Anbindepunkt des Hitzeschildes, der äußerst kostengünstig und mit geringen Montageaufwendungen gefertigt werden kann. Die Wandung der Hülse hat vorteilhafterweise weder außenseitige noch innenseitige Ausnehmungen, sodass auch deren Fertigung einfach ist.
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Die Durchgangsöffnung durch die metallische Lage und/oder der Halsbereich der Hülse und/oder der Halsbereich des Entkopplungselementes können einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Für jedes dieser Elemente ist einzeln oder auch in deren Kombination auch jeder andere Querschnitt, insbesondere ein ovaler oder elliptischer Querschnitt in der Lagenebene der metallischen Blechlage möglich. Hierdurch ist eine Anpassung des Anbindepunktes an die dreidimensionalen Gegebenheiten möglich, die zum Beispiel durch das Hitzeschild und/oder das Teil, an welchem das Hitzeschild zu befestigen ist, vorgegeben sind. Nicht kreisförmige Durchgangsöffnungen können verwendet werden, um Toleranzen oder Längenänderungen auf Grund von Temperaturänderungen auszugleichen.
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In jedem Fall einer nicht kreisförmigen Öffnung bezieht sich dann jegliche Referenz in dem vorliegenden Dokument, die den Durchmesser besagter nicht kreisförmiger Öffnung betrifft, zum Beispiel der Durchgangsöffnung, der Hülse oder jedes anderen Elements ausgenommen der Schraube, auf das Minimum von Durchmessern, die in besagter Öffnung gemessen werden können.
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Vorteilhafterweise überdeckt zur besseren Entkopplung von Befestigungselement und metallischer Lage des Hitzeschildes der erste Bund und/oder der zweite Bund des Entkopplungselementes den Rand der Durchgangsöffnung der metallischen Blechlage in radialer Richtung über eine Breite, die mehr als 40%, bevorzugt mehr als 50% der Wandstärke des Entkopplungselementes im Bereich der Durchgangsöffnung entspricht. Hierdurch wird eine hinreichende Entkopplung und auch hinreichende Befestigung des Entkopplungselementes in der Durchgangsöffnung bewirkt.
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Vorteilhafterweise ist der Umfangsrand der Durchgangsöffnung einseitig oder beidseitig angefast. Insbesondere ist derjenige Rand der Durchgangsöffnung, der sich auf der ersten Oberfläche der metallischen Lage ergibt, abgewinkelt und hochgestellt, vorzugsweise mit einem Winkel zwischen 30° und 75° aus der Ebene, in der sich die metallische Blechlage am Außenrand des Entkopplungselementes erstreckt. Der angefaste oder abgewinkelte Rand der Durchgangsöffnung kann vorteilhafterweise in einer Nut auf der Außenseite des Entkopplungselements aufgenommen werden.
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Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Hitzeschilde gegeben. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauelemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, sodass deren Beschreibung teilweise nicht wiederholt wird. Bei den folgenden Beispielen werden jeweils ein oder mehrere vorteilhafte Merkmale in Kombination dargestellt. Diese können jedoch jeweils auch einzeln und nicht in Kombination mit den anderen vorteilhaften Merkmalen des jeweiligen Beispiels die vorliegende Erfindung vorteilhaft weiterbilden.
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Es zeigen
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1 den Zusammenbau eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes in Teildarstellung;
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2 den radialen Querschnitt verschiedener Hülsen in erfindungsgemäßen Hitzeschildern;
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3 den radialen Querschnitt verschiedener Entkopplungselemente vor Montage in erfindungsgemäße Hitzeschilder;
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4 Anbindungspunkte zweier verschiedener erfindungsgemäßer Hitzeschilder;
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5 ein Entkopplungselement und eine Hülse vor Montage eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes;
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6 den Anbindepunkt eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes vor Montage;
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7 und 8 die Anbindepunkte verschiedener erfindungsgemäßer Hitzeschilde einschließlich einer Schraube als Befestigungsmittel bei unterschiedlicher Orientierung von Hülse und Entkopplungselement;
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9 den Anbindepunkt eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes im Querschnitt;
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10 den Anbindepunkt eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes ohne Hülse vor Montage in zwei Varianten;
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11 und 12 die Anbindepunkte verschiedener erfindungsgemäßer Hitzeschilde im Querschnitt;
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13 den Anbindepunkt eines herkömmlichen Hitzeschildes.
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13 zeigt ein herkömmliches Hitzeschild 1 mit einer metallischen Blechlage 2. Diese metallische Blechlage 2 weist eine erste Oberfläche 4 (Oberseite) und eine zweite Oberfläche 5 (Unterseite) auf. Zur Anbindung dieser metallischen Blechlage 2 an ein wärmeerzeugendes und/oder schallerzeugendes Bauteil 9 weist das Hitzeschild 2 in seiner Durchgangsöffnung 3 für ein Befestigungsmittel eine Hülse 20 auf. Diese Hülse 20 besitzt einen ersten Flansch 22, der sich zwischen dem Bauteil 9 und der metallischen Blechlage 2 erstreckt, und hinter der Durchgangsöffnung 3 nach außen hintergreift. Ausgehend von diesem Bund 22 weist die Hülse 20 einen Halsbereich 21 auf, der die Durchgangsöffnung 3 durchgreift und sich weiter über die Oberfläche 4 herausragt. An dem Ende des Halsbereiches 21 weist die Hülse 20 einen zweiten Bund 25 auf.
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Auf der Oberfläche 4 der metallischen Lage 2 ist ein Entkopplungselement 10 angeordnet, das eine Durchgangsöffnung 13 aufweist, deren Innendurchmesser gleich dem Außendurchmesser der Hülse 20 im benachbarten Bereich ist. Die Hülse 20 ist nun durch diese Durchgangsöffnung 13 hindurch geführt und hintergreift mit ihrem zweiten Bund 25 die Ausnehmung 15. Dadurch ist das Entkopplungselement auf der Oberfläche 4 und benachbart zu der Hülse 20 festgelegt. Bei diesem Anbindepunkt des Hitzeschildes 1 werden allerdings sowohl Wärme als auch Schwingungen von dem Bauteil 9 über den ersten Bund 22 der Hülse 20 in die metallische Blechlage 2 radial übertragen. Es wird lediglich eine axiale Entkopplung realisiert.
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1 zeigt einen Ausschnitt im Querschnitt eines Anbindepunktes eines Hitzeschildes 1 in einer metallischen Blechlage 2. Dieser Anbindepunkt ist in 1-a lediglich mit der metallischen Blechlage 2 und dem Entkopplungselement 10 vor der vollständigen Montage dargestellt. Das Entkopplungselement 10 durchdringt mit seinem Halsbereich 11 die Durchgangsöffnung 3 und weist selbst eine Durchgangsöffnung 13 auf. Auf der Oberfläche 5 der metallischen Blechlage 2 ist das Entkopplungselement 10 durch den Bund 12 festgelegt. Dieser Bund 12 besitzt an dem unteren Ende seines Innendurchmesser eine Ausnehmung 15, in der der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung 13 des Entkopplungselementes 10 gegenüber dem Halsbereich 11 vergrößert ist. Auf der Oberfläche 4 der metallischen Lage weist das Entkopplungselement 10 einen Überstand 16 auf, der einen verpressbaren Bereich bildet. Am seinem freien Ende ist der verpressbare Bereich 16 innenseitig abgerundet, sodass sich eine Einführschräge 14 für eine später einzuführende Hülse ergibt.
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Weiterhin ist in 1-a als vorteilhaftes Merkmal der Umfangsrand der Durchgangsöffnung 3 auf der Oberfläche 4 angefast, wobei die Fase 30 in 10 näher erläutert wird.
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In 1-b ist das Einsetzen einer Hülse 20 in die Durchgangsöffnung 13 des Entkopplungselementes 10 dargestellt. Die Hülse 20 weist einen Halsbereich 21 und einen ersten Bund 22 auf. Dieser Bund 22 ist relativ breit gestaltet. Der Übergangsbereich zwischen dem Hals 21 und dem Flansch 22 ist als verdickter Bereich 27 mit einem Radius 24 ausgestaltet. Dieser Radius 24 dient beim weiteren Einführen der Hülse in die Durchgangsöffnung 13 des Entkopplungselementes 10 als Umformhilfe für den verpressbaren Bereich 16 des Entkopplungselements 10. An ihrem anderen Rand weist die Hülse 20 einen schmalen Bund 25 auf, der der Verrastung mit der Ausnehmung 15 des Entkopplungselementes 10 dient. Der radiale Überstand dieses Bundes 25 über den Halsbereich 23 beträgt aber maximal 20% des radialen Überstandes des ersten Bundes 22 über diesen Halsbereich 23.
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Die Hülse 20 weist eine Durchgangsöffnung 23 auf, die der Durchführung eines Befestigungselementes, beispielsweise einer Schraube, dient.
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Bei der vorliegenden Hülse 20 ist durch die Ausgestaltung des Radius 24 auf der Außenseite des Übergangsbereiches zwischen Hals 21 und Bund 22 und des Radius 26 auf der Innenseite des Übergangsbereiches zwischen Hals 21 und Bund 22 der Übergangsbereich als mit einem Radius verdickter Bereich 27 gestaltet. Der Radius 26 ergibt sich dabei als üblicher Radius an der Innenkante des Bundes 22, welche vom Formen des Flansches herrührt, während der Radius 24 bewusst ausgeprägter ausgeformt wird, als dies für den Rand auf der Außenseite notwendig wäre.
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1-c zeigt nun die Durchführung der Hülse 20 durch die Durchgangsöffnung 13 des Entkopplungselementes. Dabei ist die Hülse in 1-c soweit eingeführt, dass der verdickte Bereich 27 auf den umformbaren Bereich 16 des Entkopplungselementes 10 drückt und beginnt, diesen Bereich nach außen umzubiegen. Dies ist noch deutlicher in 1-d dargestellt, bei der der umformbare Bereich 16 bereits deutlich nach außen umgebogen ist. Bei beiden Figuren ist zu sehen, dass die abgerundete Form 14 der inneren Kante des umformbaren Bereiches 16 als Einführhilfe für die Hülse 20 dient.
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In 1-e ist der vollständig montierte Zustand zu sehen. Der umformbare Bereich 16 ist nun zu einem ersten Bund 17 umgebogen. Das Entkopplungselement 10 umfasst nun den Umfangsrand der Durchgangsöffnung 3 vollständig und entkoppelt dadurch die metallische Lage 2 von der Hülse 20 und somit auch von einem in diese Hülse einzufügenden Befestigungselement bzw. dem Bauteil, an dem das Hitzeschild über das in der Hülse aufgenommene Befestigungselement befestigt wird. Dadurch, dass der Umfangsrand der Durchgangsöffnung 3 in der Lage 2 auf Seiten der Oberfläche 4 abgeschrägt, bzw. angefast ist, kann die Umbiegung des Entkopplungselementes verbessert werden.
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Bei diesem Beispiel ist der Radius 24 größer als die Dicke des Entkopplungselementes 10 in seinem Halsbereich 11 innerhalb der Durchgangsöffnung 3. Dadurch ist die Deformation des Entkopplungselements im Wesentlichen eine Umbiegung, die nur durch eine sehr geringe Kompression des Bereiches 16 sowie des Übergangsbereiches zwischen dem Halsbereich 11 und dem ersten Bund 17 überlagert wird.
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2 zeigt den Querschnitt durch verschiedene Hülsen für ein erfindungsgemäßes Hitzeschild, es ist dabei jeweils nur die rechte Hälfte eines Querschnitts dargestellt. Bei der in 2 dargestellten Hülse ist der zweite Bund 25 im Wesentlichen rechtwinklig ausgeführt, während er in 2-b zur besseren Durchführung durch die Durchgangsöffnung 13 des Entkopplungselementes 10 abgeschrägt ist. Weiterhin ist der aussenseitige Übergangsbereich zwischen dem Hals 21 und dem ersten Bund 22 in 2-a im mittleren Bereich näherungsweise geradlinig ausgestaltet. Die Krümmungen befinden sich im wesentlichen zu Beginn und zu Ende dieses geradlinigen Bereiches 24.
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Um die vorliegende Erfindung weiter zu verbessern ist es im Allgemeinen ist es bevorzugt, wenn der Übergangsbereich im Wesentlichen gerade und abgeschrägt gestaltet ist, eine Abschrägung so zu realisieren, dass der im Wesentlichen gerade Bereich und die axiale Richtung der Durchgangsöffnung (beziehungsweise die Erstreckungsrichtung des Halses 21 durch die Durchgangsöffnung) einen Winkel β einschließen, wie in 2-a gezeigt, zwischen 30° und 60°, vorzugsweise zwischen 40° und 50°, diese Grenzwerte ausschließend oder einschließend.
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Die Krümmungen sind im Wesentlichen an dem Anfang und an dem Ende dieses geraden Bereichs 24 angeordnet. Nichts desto trotz resultiert eine übergreifende Verdickung in dem Verlauf des Übergangsbereichs, die an dem Halsbereich 21 beginnt und sich bis zu dem Bund 22 erstreckt.
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Um die vorliegende Erfindung weiter zu verbessern liegt als eine zusätzliche oder alternative Maßnahme die Höhe H des Übergangsbereichs, wie in 2-a gezeigt, gemessen in der axialen Richtung der Durchgangsöffnung, bevorzugt zwischen 25% und 75% (diese Grenzwerte ausschließend oder einschließend) des Außendurchmessers des Schaftes des Befestigungselements, zum Beispiel einer Schraube 25, oder des Innendurchmessers der Hülse 20.
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In 2b ist dieser Übergangsbereich als Kreisbogenausschnitt ausgebildet, dessen Radius 24 für die entsprechende Anwendung geeignet gewählt ist.
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Im Allgemeinen ist es, um die vorliegenden Erfindung weiter zu verbessern, wenn der Übergangsbereich als ein Ausschnitt eines kreisförmigen Bogens gestaltet ist, bevorzugt, den Bogen so zu realisieren, dass der Bogen einen Radius R wie in 2-b gezeigt zwischen 3,5 mm und 6 mm aufweist, bevorzugt zwischen 3,5 und 4,5 mm, diese Grenzwerte ausschließend oder einschließend.
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Hier in 2-b erhöht sich wieder die radiale Wandstärke in der Richtung zu dem Bund 22 hin. Es ist jedoch wichtig, dass beide Ausführungsformen einen stetigen Verlauf des Übergangsbereichs zeigen, so dass sich die Wandstärke in dem Verlauf des Übergangsbereichs in der Richtung weg von der metallischen Blechlage 2 stetig nach außen erhöht, was abwärts in den Ausschnittansichten bedeutet, die in 2 angegeben sind.
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Die Doppelpfeile in 2-b geben an, dass im Falle einer nicht kreisförmigen Form der Hülse 20 die Zunahme der Dicke von der Wand der Hülse an einem Ausschnitt in einer Ebene gemessen werden muss, welche auf der einen Seite durch die axiale Richtung der Hülse definiert ist – welche durch eine strichpunktierte Linie in der Durchgangsöffnung oder durch eine parallele Linie zu dieser angegeben ist, welche durch den gestrichelten Pfeil angeben ist – und durch die senkrechte Linie zu der Achse der Durchgangsöffnung, die nach außen zu dem Rand der Hülse 10 zeigt. Die zwei Doppelpfeile geben die geringere Dicke des Halsbereichs 21 der Hülse und die größere Dicke des Übergangsbereichs an.
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3 zeigt zwei Querschnitte von Entkopplungselementen, die bei den erfindungsgemäßen Hitzeschilden eingesetzt werden können; wiederum sind nur die rechten Hälften wiedergegeben. Die Querschnitte zeigen dabei die Entkopplungselemente vor Montage mit einem noch nicht umgebogenen Bereich 16. In 3-a weist der umformbare Bereich 16 eine Einführschräge 14 für die Hülse auf. In 3-b ist dieser Bereich abgerundet gestaltet.
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4 zeigt die Anbindungspunkte verschiedener erfindungsgemäßer Hitzeschilde im Querschnitt. 4-a zeigt einen Anbindungspunkt unter Verwendung einer Hülse 20 ähnlich der Hülse 20, die in 2-a dargestellt ist, während 4 b demgegenüber einen Anbindungspunkt zeigt, in dem eine Hülse 20 eingesetzt wird, wie sie in 2b dargestellt ist. Die Form des Übergangsbereichs 27 der Hülse 20 bestimmt die Form des angrenzenden Bereichs des Entkopplungselements 10. 4-b verdeutlicht darüber hinaus, dass das Entkopplungselement 10 im Bereich seines zweiten Bundes 12 abschnittsweise, nämlich an seinem freien Ende, einen Innendurchmesser Di12 aufweist, der wegen der Ausnehmung 15 größer ist als der Innendurchmesser Di13 im Bereich der Durchgangsöffnung 3 des Hitzeschilds 1.
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5 zeigt eine Hülse und ein Entkopplungselement unmittelbar vor deren Zusammenbau. Die Hülse ist wie in 2b ausgestaltet. Das Entkopplungselement 10 entspricht dem Entkopplungselement in 3-b.
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5 gibt weiterhin an, dass die Zunahme von der Dicke der Hülse durch Vergleich des Übergangsbereichs 221 und des Halsbereichs 211 in einem kreisförmigen Ausschnitt 200 der Hülse gemessen werden kann, falls die Hülse 20 anders als in dem dargestellten Beispiel nicht axialsymmetrisch ist.
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6 zeigt nun eine Draufsicht auf den Anbindepunkt eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes unter Verwendung der Hülse 20 und des Entkopplungselementes 10 aus 5. Unmittelbar zu erkennen ist, wie der zweite Bund 25 der Hülse 20 über die Einführschräge 14 in die Durchgangsöffnung 13 des Entkopplungselementes eingeführt wird.
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7 zeigt im Querschnitt einen Anbindungspunkt eines Hitzeschildes 1 im montierten Zustand. Anders als in den anderen Figuren ist hier auch das Bauteil 9, an welchem das Hitzeschild angebracht ist, schematisch dargestellt.
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Bei diesem Anbindungspunkt wurde die Hülse 20 von der Oberfläche des Hitzeschilds her in das Entkopplungselement 10 eingeführt, die dem Bauteil 9 zugewandt ist. Das Entkopplungselement 11 wird von der gegenüberliegenden Oberfläche des Hitzeschilds eingeführt. Die von der Seite 5 her eingeführte Schraube 8 mit einem Schraubenbund 7 liegt mit diesem Bund 7 auf der Hülse 20 im Bereich von deren zweiten Bund 25 und auf dem Entkopplungselement 10 im Bereich von dessen zweiten Bund 12 auf. Die Hülse 20 liegt hier mit ihrem ersten Bund 22 auf dem benachbarten Bauteil 9 auf, welches hier ausdrücklich gezeigt ist. Die metallische Lage 2 jedoch ist durch das Drahtgestrick des Entkopplungselementes 10 vollständig von der Hülse 20, der Schraube 8 und dem Bauteil 9 abgekoppelt, sodass sich sowohl in senkrechter Richtung zur Ebene der Lage 2 als auch in radialer Richtung der Durchgangsöffnung 3 eine Dämpfung sowohl des Wärmeübergangs als auch der Schwingungsübertragung ergibt. Auf eine Fase 30 am Innenrand der Durchgangsöffnung 3 wurde hier verzichtet.
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In 8 ist ein weiteres Beispiel für einen Anbindungspunkt eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes 1 dargestellt. Nunmehr ist die Hülse 20 mit ihrem ersten Flansch 22 von der Seite 4 her, die dem Bauelement abgewandt ist, durch das Drahtgestrick 10 als Entkopplungselement hindurchgeführt. Die Schraube 8 liegt mit ihrem Kopf auf diesem breiten Flansch 22 auf, so dass auf einen breiten Schraubenbund, wie er in 7 verwendet wurde, verzichtet werden kann, so dass weniger Bauraum benötigt wird. Wie in 7 sind die Schraube 8 und die Hülse 20 durch das Entkopplungselement 10 sowohl in radialer Richtung als auch axial vollständig von der metallischen Blechlage 2 entkoppelt.
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9 zeigt einen weiteren Anbindungspunkt eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes 1 im Querschnitt. In 9 ist dargestellt, dass der radiale Überstand des umformbaren Bereiches 16 bzw. ersten Bundes 17 über die Lage 2 in radialer Richtung ausgehend von der Durchgangsöffnung 3 und deren Umfangsrand eine Breite B3 in radialer Richtung aufweist, die größer ist als 50% der Breite B10 des Entkopplungselementes 10 in seinem Halsbereich 11 im Bereich der Durchgangsöffnung 3, B3 nämlich ca. 95% der Breite B10 entspricht.
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10 zeigt zwei weitere Beispiele von Anbindungspunkten erfindungsgemäßer Hitzeschilde 1 vor vollständiger Montage des Anbindungspunktes ohne die Hülse 20, welche für die vollständige Montage erforderlich ist.
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In beiden Beispielen ist die Kante der Lage 2 ausgehend von derjenigen Seite, an der der erste Flansch 12 des Entkopplungselementes 10 anliegt und die die Ebene E aufspannt, in Richtung der gegenüber liegenden Oberfläche der Lage 2 umgebogen und hochgestellt. Dabei kann in einer ersten Variante sowohl die gesamte Kante umlaufend hochgebogen sein oder aber in einer zweiten Variante die Kante mit abwechselnden vor- und rückspringenden Abschnitten versehen, wobei dann nur die vorspringenden Abschnitte hochgestellt sind. Alternativ könnte hier auch eine Fase mit gleicher Wirkung angeordnet sein. Die Umbiegung 31 des Umfangsrandes der Durchgangsöffnung 3 oder von Abschnitten des Umfangsrandes kann beispielsweise durch geeignete Führung des Umformprozesses der metallischen Lage 2 in die metallische Lage 2 eingebracht werden. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch eine Abschrägung der Oberfläche 5 der metallischen Lage 2 mit einem Winkel zwischen 30° und 75° aus der Ebene, in der sich die metallische Blechlage am Außenrand des Entkopplungselementes und außerhalb dieser Abwinkelung 31 erstreckt. Im Beispiel der 10-b ist zusätzlich am Außenrand des Entkopplungselements 10 eine Nut 19 vorgesehen, in der die umgebogene Kante 31 des Umfangsrandes aufgenommen ist.
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11 zeigt einen weiteren Anbindungspunkt eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes 1. Im Unterschied zu den vorigen Beispielen ist der verdickte Bereich 27 besonders gestaltet. Ausgehend von dem Halsbereich im Bereich der Durchgangsöffnung 3 ist der Halsbereich in Richtung des ersten Flansches 22 zuerst verdickt, bevor er in einen radialen Übergangsbereich zum Flansch 22 hin übergeht.
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In 12 ist ein weiterer Anbindungspunkt eines weiteren erfindungsgemäßen Hitzeschildes 1 dargestellt. Die Verdickung des Bereiches 27 ist bei diesem Beispiel noch stärker ausgeprägt. Durch Wahl der Querschnittsform dieses Übergangsbereiches zwischen Hals 21 und erstem Bund 22 kann das Dämpfungsverhalten des Entkopplungselementes 10 individuell eingestellt werden.
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Sowohl in 11 als auch in 12 ist der Innenrand der Durchgangsöffnung 3 des Hitzeschilds 1 gerade, d. h. ohne Fase, ausgeführt. Weiter ist in 11 und 12 dargestellt, dass der Halsbereich 21 der Hülse 20 im Bereich der Durchgangsöffnung 3, der in beiden Figuren jeweils von gestrichelten Linien begrenzt ist, mit konstanter Wandstärke verläuft.
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14 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Anbindungspunkt. Er umfasst eine wie in 14-a dargestellte Hülse 20. Diese Hülse 20 entspricht der in 5 gezeigten Hülse 14. Weiterhin ist ein Entkopplungselement 10 wie in 5 vorgesehen. Im Unterschied zu dem Entkopplungselement in 5 umfasst das Entkopplungselement 10 in 14 an seinem ersten Bund 17 Überstände 18 und Ausnehmungen 10, von denen zur besseren Lesbarkeit von 14 nur einige mit einem Bezugszeichen bezeichnet sind. Neben besagten Überständen 18 und Ausnehmungen 19 sind die Hülse 20 und das Entkopplungselement 10 die gleichen wie in 5. Der Wechsel von Überständen 18 und Ausnehmungen 19 an dem freien Ende des Entkopplungselements erleichtert die Verformung des Entkopplungselements 10, die zum Bereitstellen des ersten Bundes 17 erforderlich ist. Dies ist hauptsächlich der Fall, weil nur die Überstände 18 durch die Interaktion mit dem Übergangsbereich der Hülse nach außen umgeformt werden.
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14-c zeigt eine Metalllage 2, das Entkopplungselement 10 und die Hülse 20 vor der Montage. 14-d zeigt die Metalllage 2, das Entkopplungselement 10 und die Hülse 20 nach Montage. Hier ist es offensichtlich, dass die Ausnehmungen 19 zwischen den Überständen 18 nach außen zunehmen. Dies bedeutet, dass keine radiale Spannung in den ersten Bund 17 eingeleitet wird, da die Überstände 18 nicht radial gestreckt wurden. Dies erleichtert das Verformen des ersten Bundes 17 und erhöht die Stabilität und Elastizität des ersten Bundes 17 und deshalb des Entkopplungselements 10 als Ganzem.
