DE19849366A1 - Sandwich-Abschirmblech - Google Patents

Abstract

Sandwich-Abschirmblech (4), insbesondere Hitzeschild und/oder Schalldämmelement zum Einsatz beim Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, welches zwei übereinanderliegende Metallbleche (1, 2) und eine mindestens abschnittsweise zwischen den Metallblechen angeordnete und an diesen haftende nichtmetallische Zwischenschicht (3) aufweist und bei dem die Metallbleche mit der Zwischenschicht durch Biegen und/oder Prägen räumlich verformt sind, wobei mindestens eines der Metallbleche vollflächig eine dreidimensionale Struktur, insbesondere Beulstruktur, aufweist, die eine Vielzahl gleichartiger, regulär angeordneter, im Querschnitt angenähert kreisabschnittsförmiger Strukturelemente (7, 8) umfaßt, wobei die Zahl der Falten in dem strukturierten und dreidimensional verformten Material nicht größer als die Zahl der Falten vor der räumlichen Verformung ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sandwich-Abschirmblech gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hitzeschilde sowie thermisch beanspruchte Schalldämmkompo­ nenten dienen bei Kraftfahrzeugen zur thermischen Abschir­ mung und zur Schalldämmung der Verbrennungsmotoren. Sie sollen ein geringes Gewicht aufweisen und aus Umwelt­ schutzgründen aus wiederverwendbaren Stoffen bestehen. La­ minate oder Sandwich-Bauteile aus zwei metallischen Schichten und einer zwischen diesen angeordneten nichtme­ tallischen Isolier- bzw. Verbindungsschicht haben sich als grundsätzlich geeignet erwiesen, diese komplexen Anforde­ rungen zu erfüllen.

Aus DB-A-40 15 169 ist ein zweilagiges Stahlblech-Formteil bekannt, bei dem auf ein Blech punktuell eine schalldäm­ mende Zwischenlage aufgebracht ist und die Bleche in von dieser Lage freien Bereichen punktverschweißt sind.

Insbesondere als Hitzeschild oder Schalldämmelement zum Einsatz bei einem Verbrennungsmotor dienende Sandwichbau­ teile sind aus DE-U-296 14 430 sowie den darin genannten Druckschriften bekannt. Das hier beschriebene Bauteil zeichnet sich u. a. durch eine einfache Herstellung mit ge­ ringen Kosten aus und hat gute Schall- und Wärmedämmeigen­ schaften.

Noch nicht befriedigend gelöst ist bei Sandwich-Bauteilen der genannten Art das Problem der Bildung relativ tiefer, langer Falten in stark gebogenen Abschnitten, insbesondere im Bereich räumlich mehrachsiger Biegedeformationen. Sol­ che Falten können die Steifigkeit des Sandwich-Bauteils erheblich reduzieren und seine Festigkeit herabsetzen. Auch aus ästhetischen Gründen sind derartige Falten, die sich von den glatten Blechbereichen deutlich visuell abhe­ ben, unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Abschirmblech, bei dem insbesondere die Faltenbildung re­ duziert ist und somit bei gleicher Wanddicke die Steifig­ keit verbessert bzw. bei gleicher Steifigkeit die Wanddicke und das Gewicht vermindert sind und das zudem ein an­ sprechenderes Erscheinungsbild haben kann.

Die Aufgabe wird durch ein Abschirmblech mit den im An­ spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, mindestens als eines der den Sandwichaufbau des Abschirm­ blechs bildenden Halbzeuge ein Flachhalbzeug mit derarti­ ger mehrdimensionaler Struktur vorzusehen, daß die beim Umformen entstehenden Falten einen weitgehend regulären Verlauf entsprechend vorgegebenen Strukturlinien nehmen. Die Falten werden hierdurch in einem gewissen Grade in die vorgegebene Tragstruktur des Halbzeugs integriert, so daß ihre festigkeitsvermindernde Wirkung minimiert wird. Sie treten hierbei zudem optisch in den Hintergrund.

Es wurde gefunden, daß sich die genannten Probleme vor­ teilhaft dadurch lösen lassen, daß auf spezielle Weise mehrdimensional strukturierte Bleche, sogenannte beul­ strukturierte bzw. wölbstrukturierte Flachmaterialien mit im Querschnitt angenähert kreisabschnittsförmigen Struk­ turelementen, als veredeltes Halbzeug zum Einsatz kommen. Deartige beulstrukturierte Materialien als veredelte, strukturierte Flachhalbzeuge sind etwa aus WO-A-97/39 846 bekannt. Diese haben gegenüber nicht strukturierten Flach­ halbzeugen eine deutlich verbesserte Formsteifigkeit, ins­ besondere gegenüber Biegebeanspruchungen. Sie sind als Ausgangsmaterial von Sandwich-Bauteilen geeignet. Ihre Strukturelemente haben - je nach der konkreten Verfahrens­ führung - in der Draufsicht insbesondere im wesentlichen Sechseck- oder Wappen- oder auch Rechteckform.

Es wäre nun allerdings zu erwarten gewesen, daß die Struk­ tur des Halbzeugs während des Umformens (Biegens und/oder Prägens) des Verbundes größtenteils wieder eingeebnet wird und so ihre Steifigkeit einbüßt, und daß das fertige Ab­ schirmblech infolge von unregelmäßigen Deformationen der Strukturelemente ein unansehnliches Aussehen hat. Überra­ schenderweise ist das aber bei Einhaltung vorbestimmter Umformbedingungen jedenfalls für den weitaus größten Teil der Fläche nicht der Fall. Die (ebenfalls als Falten be­ zeichneten) Strukturlinien des beulstrukturierter Metall­ blechs erweisen sich als außerordentlich stabil und blei­ ben weitestgehend erhalten, wenn der Sandwich-Material­ verbund in einem zweiteiligen Werkzeug durch Biegen und/oder Prägen räumlich verformt wird. Die sich beim Um­ formen tendentiell ausbildenden Falten werden zudem über­ raschend in die vorgegebene, aus einer Vielzahl einander benachbarter Gewölbeelemente aufgebaute Tragstruktur inte­ griert, so daß ihre festigkeitsvermindernde Wirkung mini­ miert und der optische Eindruck nicht beeinträchtigt wird.

Vorteilhafterweise werden zugleich die Wärme- und Schall­ dämmeigenschaften noch weiter verbessert.

Die Metallbleche im vorgeschlagenen Verbund sind insbeson­ dere Aluminium- oder Stahlbleche.

Die Zwischenschicht ist bevorzugt als geschlossene Papp-, Vlies- oder Gewebeschicht, insbesondere mit einem organi­ schen Binde- und Haftmittelzusatz und ggfs. mit einer zug­ festigkeitserhöhenden Faserverstärkung, ausgebildet. Ein besonders kostengünstiges Material für Abgaskrümmer-Ab­ schirmbleche ist eine glasfaserverstärkte Pappe, der ein Kautschuk als Binde- und Haftmittel zugesetzt ist.

Die besonders vorteilhaften Eigenschaften beulstrukturier­ ter Bleche, die gegenüber nicht-strukturierten Blechen ei­ ne verbesserte Festigkeit (Biege- und Beulsteifigkeit) be­ sitzen und dennoch gut umformbar sind, ergeben sich aus dem materialschonenden Herstellungsprozeß. Besonders gün­ stige dünne Flachmaterialbahnen lassen sich unter Ausnut­ zung des Prinzips der Selbstorganisation beulartig struk­ turieren. Dabei wird die gekrümmte, dünne Materialbahn oder Folie auf der Innenseite durch linienförmige Stütz­ elemente, z. B. durch beabstandete Stützringe oder durch eine Stützspirale, abgestützt und von außen mit Druck be­ aufschlagt. Der äußere Druck wird hydraulisch aufgebracht. Auf diese Weise entstehen versetzte, in der Draufsicht im wesentlichen rechteckige Beulstrukturen; vgl. dazu die DE- A-43 11 978.

Die Ausbildung polyedrischer, beispielsweise hexagonaler Strukturen erfolgt gemäß EP-B-0 693 008 dadurch, daß zick­ zackförmige oder etwa sechseckige Stützelemente anstatt der genannten Stützringe oder Stützspirale verwendet wer­ den. Anstelle einer hydraulischen Druckaufprägung kann der Druck auch mittels eines nicht strukturierten, elastischen Kissens oder durch einen nicht strukturierten Elastomeren aufgebracht werden.

Die hohe Steifigkeit von auf diese Weise beulverformten Blechen ergibt sich sowohl aus der mehrdimensional ausge­ prägten Struktur als auch aus der hohen Formsteifigkeit jedes einzelnen Strukturelementes. Hieraus ergeben sich günstigere akustische Eigenschaften, wie eine etwas ver­ besserte Schalldämmung durch Absorption und verringerter Körperschall. Zusätzliche Verbindungsmittel in der Fläche des Sandwich-Aufbaus, wie etwa Tox- oder Clinch-Punkte, werden damit verzichtbar. Aufgrund der mehrdimensional ge­ wölbten Oberflächengestalt zeigen die vorgeschlagenen Auf­ bauten zudem diffuse Schallreflexion. Beulstrukturierte Bleche besitzen zudem in vorteilhafter Weise noch große Plastifizierungsreserven für sekundäre Umformprozesse - im Gegensatz zu den herkömmlichen mehrdimensional struktu­ rierten Blechen, die bereits durch den Strukturierungspro­ zeß einen großen Teil ihrer Plastifizierungsreserven ver­ loren haben.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Abschirmblechs, be­ stehend aus einem Verbund aus zwei Metallblechen und einer zwischen den Metallblechen angeordneten nichtmetallischen Zwischenschicht, umfaßt ein Biegen und Prägen. Die Dicke des rseultierenden Verbundes ergibt sich aus den Wanddicken der beiden strukturierten Metallbleche (einschließlich der Höhe ihrer Beulkalotten) und der Wanddicke der nicht- metallischen Zwischenschicht.

Da die Kalotten der einzelnen Beulstrukturen sehr form­ steif sind, verursacht die Umformung des beulstrukturier­ ten Blechs im wesentlichen nur Biegedeformationen der be­ reits existierenden Beulstrukturfalten. Die Ausbildung zu­ sätzlicher langer Falten, die sich beim Umformen nichtstrukturierter Metallbleche leicht bilden können, wird hierbei vermieden. Dadurch erhält das räumlich umge­ formte Sandwich-Bauteil aus beulstrukturiertem Material eine verbesserte Formsteifigkeit und ein attraktiveres Aussehen.

Das erfindungsgemäße Abschirmblech, das insbesondere als Hitzeschild bzw. Schalldämmelement zum Einsatz bei einem Verbrennungsmotor bestimmt ist, hat daneben weitere vor­ teilhafte Eigenschaften: Die Lufteinschlüsse zwischen den Kalotten des beulstrukturierten Metallbleches und der Zwi­ schenschicht führen zu einer deutlich verbesserten Wärme­ dämmung. Dies trägt neben dem verbesserten Schwingungsver­ halten zur Verlängerung der Lebensdauer thermisch und me­ chanisch belasteter Hitzeschilder bei.

Das beulstrukturierte Blech, dessen Beulstrukturfalten ge­ gen die weichere Zwischenschicht drücken, führt zu einer verbesserten Schalldämmung. Bei nichtstrukturierten Ble­ chen besteht nämlich die Gefahr, daß das Metallblech nur lose auf der Zwischenschicht aufliegt, dadurch frei schwingt und den Körperschall an die Umgebung überträgt. Ferner besitzen beulstrukturierte Materialien im Vergleich zu nichtstrukturierten Materialien eine etwas verbesserte Schallabsorption und einen geringeren Körperschall, da die tiefen Frequenzen in einen höheren Frequenzbereich überge­ führt werden. Wenn auch die innere Metallwand des Sand­ wich-Bauteils beulstrukturiert ist, ergibt sich für das Abschirmblech eines Verbrennungsmotor gleichzeitig eine diffuse Schallreflexion.

Schließlich ist ein umgeformter Sandwich-Aufbau, der min­ destens ein strukturiertes Blech umfaßt, deutlich form­ treuer als ein aus ebenen Blechen gebildeter und hat ein verbessertes Rückfederungsverhalten.

In einer für ein Schallabschirmelement vorteilhaften Aus­ gestaltung kommt im Verbund mindestens ein perforiertes und mehrdimensional strukturiertes Blech zum Einsatz. Die Perforationen befinden sich bei einem beulstrukturierten Blech vorzugsweise jeweils in der Mitte der Kalotte der Beulstruktur. Wird innerhalb des Sandwich-Aufbaus ein fa­ seriges oder maschenartiges Gewebe angeordnet, dringt der Schall durch die Löcher ein, wird an den Fasern oder Ma­ schen abgelenkt und dadurch teilweise absorbiert.

In einer weiteren Ausgestaltung bestehen nicht nur die Me­ tallbleche, sondern auch die dämmende Zwischenschicht aus strukturiertem Ausgangsmaterial, denn eine strukturierte - vorteilhafterweise beulstrukturierte - Zwischenschicht, beispielsweise aus Pappe, läßt sich leichter räumlich um­ formen, ohne zu reißen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind im übrigen in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nach­ stehend zusammen mit der Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen (jeweils in vereinfachten Prinzipdarstellungen)

Fig. 1 die ebenen Zuschnitte für ein Abschirmblech nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 das Abschirmblech nach der Umformung,

Fig. 3 ein Abschirmblech nach dem Stand der Technik nach einer Umformung,

die Fig. 4a bis 4d Querschnittsdarstellungen von Ab­ schirmblechen in verschiedenenen Ausführungsformen und

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Abschirmblech gemäß ei­ ner weiteren vorteilhaften Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt als ebene Zuschnitte für einen Sandwich-Auf­ bau zwei beulstrukturierte Metall-Halbzeuge 1 und 2 und eine diese verbindende nichtstrukturierte Zwischenschicht 3 aus kautschuk- oder kunstharzgebundener Pappe. Die Teile 1, 2 und 3 haften aneinander, können aber zusätzlich in Randbereichen formschlüssig miteinander verbunden werden, um einen sicheren Zusammenhalt in nachfolgenden Formge­ bungsschritten zu gewährleisten.

Fig. 2 zeigt den Sandwich-Aufbau entsprechend Fig. 1 in Gestalt eines Formteils 4 als Hitzeschild und zur Schall­ dämmung nach der Umformung durch Biegen und Prägen zur Festlegung der Raumform in schematischer Darstellung. (Bei einem fertigen Abschirmblech üblicherweise vorzusehende Umformbereiche zur Sicherung des Zusammenhaltes des Ver­ bundes, wie etwa eine Umbördelung des Randes oder Umform­ punkte, sind in der Figur nicht dargestellt.) Das Formteil 4 ist größtenteils konvex umgeformt und besitzt zwei kon­ kave Bereiche (Sättel) 5 und 6. In den konkaven Bereichen 5 und 6 biegen sich die vorhandenen Strukturlinien ("Fal­ ten") 8 der Beulstrukturen bzw. Kalotten 7 etwas tiefer ein (was durch verstärkte Linien gekennzeichnet ist), wo­ bei nahezu keine zusätzlichen Falten entstehen. Die Form­ steifigkeit ergibt sich aus der Tiefe der Kalotten 7 und der Ausprägung der Beulfalten 8 der Beulstrukturen.

Fig. 3 zeigt ein ähnliches Abschirmblech 4' nach dem Stand der Technik, bestehend aus (nicht einzeln bezeichneten) nichtstrukturierten Metallblechen und einer nichtstruktu­ rierten Zwischenschicht. In den konkaven Bereichen 5' und 6' sind tiefe, lange Falten F gebildet.

Fig. 4a zeigt in einer (nicht maßstabgerechten) Detaildar­ stellung einen Querschnitt durch einen Sandwich-Aufbau 14 aus einem ebenen Blech 11, einem beulstrukturierten Blech 12 und einer ebenen Zwischenlage 13. Fig. 4b zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren modifizierten Sandwich- Aufbau 24 aus zwei in gleicher Weise und mit identischen Strukturabmessungen beulstrukturierten Blechen 21, 22 und einer ebenen, relativ dicken Zwischenlage 23, bei dem die Bleche so positioniert sind, daß ihre Kalotten 27.1, 27.2 einander gegenüberliegen und die Beulfalten in die Zwi­ schenlage eingepreßt sind. Fig. 4c zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren modifizierten Sandwich-Aufbau 34 aus zwei in gleicher Weise und mit identischen Strukturabmes­ sungen beulstrukturierten Blechen 31, 32 und einer den ge­ samten Zwischenraum ausfüllenden Zwischenlage 23, bei dem die Bleche so positioniert sind, daß ihre Kalotten 37.1, 37.2 in entgegengesetzte Richtungen weisen, aber einen la­ teralen Versatz (im gezeigten Beispiel von einer halben Strukturbreite) aufweisen. Fig. 4d zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren modifizierten Sandwich-Aufbau 44 aus zwei in gleicher Weise, aber mit unterschiedlichen Struk­ turabmessungen beulstrukturierten Blechen 41, 42 mit un­ terschiedlicher Dicke und einer ebenen Zwischenlage 43, bei dem die Kalotten 47.1, 47.2 in entgegengesetzte Rich­ tungen weisen.

Bei (nicht gezeigten) modifizierten Ausführungen unter Einsatz eines perforierten beulstrukturierten Bleches be­ findet sich jeweils ein Loch in der Mitte der Kalotten.

Fig. 5 zeigt in einer Draufsicht einen Bereich eines Ab­ schirmbleches 54 mit einer in der Form der Strukturelemen­ te 57 modifizierten, nämlich sogenannten wappenförmigen, Beul- oder Wölbstruktur.

Durch dem Einsatzzweck und der Form des Abschirmbleches angepaßte Wahl einer der oben gezeigten Anordnungen, der Strukturabmessungen und der Materialstärken lassen sich die Schall- und Wärmedämmeigenschaften optimieren.

Die Erfindung ist in ihrer Ausführung nicht auf die vor­ stehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele be­ schränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten mög­ lich, welche von der beanspruchten Lösung auch in anders gearteter Ausführung Gebrauch machen.

So kann das erfindungsgemäße Abschirmblech bei speziellen Formgebungs-Anforderungen einem zusätzlichen Umformungs­ schritt unterzogen werden; eine hierbei ggfs. erfolgende Ausbildung zusätzlicher Falten stellt gleichwohl kein Abge­ hen vom Erfindungsgedanken dar.

Claims (9)

1. Sandwich-Abschirmblech (4; 14; 24; 34; 44; 54), ins­ besondere Hitzeschild und/oder Schalldämmelement zum Ein­ satz beim Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, welches zwei übereinanderliegende Metallbleche (1, 2; 11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) und eine mindestens abschnittsweise zwischen den Metallblechen angeordnete und an diesen haf­ tende nichtmetallische Zwischenschicht (3; 13; 23; 33; 43) aufweist und bei dem die Metallbleche mit der Zwischen­ schicht durch Biegen und/oder Prägen räumlich verformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Metallbleche vollflächig eine dreidi­ mensionale Struktur, insbesondere Beulstruktur, aufweist, die eine Vielzahl gleichartiger, regulär angeordneter, im Querschnitt angenähert kreisabschnittsförmiger Strukture­ lemente (7, 8; 27.1, 27.2; 37.1, 37.2; 47.1; 47.2; 57) um­ faßt, wobei die Zahl der Falten in dem strukturierten und dreidimensional verformten Material nicht größer als die Zahl der Falten vor der räumlichen Verformung ist.

2. Sandwich-Abschirmblech nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strukturelemente (7, 8; 27.1, 27.2; 37.1, 37.2; 47.1; 47.2; 57) in der Draufsicht Sechseck-, modifizierte Sechseck- oder Rechteckform haben.

3. Sandwich-Abschirmblech nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch mindestens je einen im wesentlichen frei von nicht der Struktur folgenden Falten ausgebildeten konvexen und konkaven Bereich (5, 6).

4. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3; 23; 33) eine zur Strukturierung des Metallblechs bzw. der Metallbleche (1, 2; 21, 22; 31, 32) korrespondierende vorgeprägte Struktur aufweist.

5. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht als im wesentlichen geschlossene Papp-, Vlies- oder Gewe­ beschicht, insbesondere mit einem Binde- und Haftmittelzu­ satz, ausgebildet ist.

6. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Metallbleche eine gleichartige Struktur aufweisen und die Strukturele­ mente miteinander ausgerichtet sind.

7. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Metallbleche regulär angeordnete Perforationen auf­ weist, die insbesondere jeweils im Zentrum eines Struktur­ elementes plaziert sind.

8. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das strukturierte Metallblech als Ausgangsmaterial vor der Bildung des Ver­ bundes eine aufgrund des Prinzips der Selbstorganisation gebildete Beulstrukturierung mit geringer Materialplasti­ fizierung aufweist.

9. Sandwich-Abschirmblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen fügen­ technisch verbundenen Bereich, insbesondere im Randbe­ reich, zur Sicherung des Zusammenhalts des Verbundes.