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Die Erfindung betrifft einen Hitzeschild zum Abschirmen eines Gegenstandes gegen Hitze und/oder Schall mit mindestens einer metallischen Lage. Hitzeschilde dienen zum Beispiel in Motorräumen von Kraftfahrzeugen, insbesondere im Bereich des Abgasstrangs, dem Schutz nahe bei heißen Bauteilen gelegener temperaturempfindlicher Bauteile und Aggregate gegenüber unzulässiger Erhitzung. Meist verbessern die Hitzeschilde dabei auch den Schallschutz.
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Üblicherweise sind derartige Hitzeschilde dreidimensional verformte Strukturbauteile, die an mindestens einem, bevorzugt jedoch an mindestens zwei Punkten, üblicherweise an mindestens einem der wärmeführenden Bauteile befestigt sind. Die dreidimensionale Form ergibt sich dabei üblicherweise aus der Form der wärmeführenden Bauteile und deren Abstand zu benachbarten Bauteilen. Meist ist es bevorzugt, wenn sowohl zwischen den abzuschirmenden Bauteilen und dem Hitzeschild als auch zwischen dem mindestens einen wärmeführenden Bauteil und dem Hitzeschild über einen großen Flächenbereich ein Luftpolster verbleibt, damit die Wärmeübertragung durch direkten Kontakt auf ein Minimum reduziert werden kann.
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Im Betrieb kommt es bei den wärmeführenden Bauteilen zu Ausdehnungen, die bei entsprechender Anordnung der Anbindepunkte des Hitzeschilds auch zu einer Vergrößerung von deren Abstand zueinander führen. Durch den geringeren Wärmeeintrag in den Hitzeschild selbst dehnt sich der Hitzeschild nicht im selben Maße aus und es kommt, begünstigt auch durch die im Fahrzeug herrschenden Vibrationen, zu Rissen im Hitzeschild, meist im Randbereich der Anbindepunkte.
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Im Stand der Technik wurde versucht, durch Verwendung mindestens eines Langlochs im Hitzeschild als Anbindepunkt diesen von der wärmebedingten Ausdehnung des wärmeführenden Bauteils, an dem er befestigt ist, zu entkoppeln, so dass das Verbindungselement bei Ausdehnung des wärmeführenden Bauteils im Langloch wandern kann und so Risse des Hitzeschildes vermieden werden. Dies hat allerdings den Nachteil, dass der Hitzeschild – unabhängig davon, ob er mit einer Hülse befestigt ist oder nicht – entweder nicht mit dem angesichts der Vibration des Verbrennungsmotors notwendigen Moment angezogen werden kann, so dass sich der Hitzeschild nach und nach lösen kann oder aber die Umgebung der Durchgangsöffnung auf Dauer abgescheuert oder verschlissen wird und es so zu Rissen und/oder Brüchen im Hitzeschild kommen kann.
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Es hat sich gezeigt, dass Risse in Hitzeschilden meist im Wesentlichen aufgrund von Schwingungen bzw. Vibrationen entstehen. Hierbei ist eine Anregung der Hitzeschilde in deren Resonanzfrequenzen besonders kritisch. Die hierbei entstehende Spannung konzentriert sich meist an den Anbindepunkten. Sind die an den Anbindepunkten auftretenden maximalen Spannungen zu hoch, kommt es zu Materialermüdungen, die sich üblicherweise in Form von Rissen darstellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen Hitzeschild anzugeben, bei dem die Spannungen bei Schwingungsbelastung reduziert sind und der damit eine höhere Dauerhaltbarkeit aufweist. Die Herstellkosten und der Aufwand bei der Herstellung dürfen sich dabei ebenso wie das Gewicht gegenüber den Hitzeschilden des Stands der Technik nicht wesentlich erhöhen.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem Hitzeschild gemäß Anspruch 1 oder 7. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung betrifft also in ihrer ersten Variante einen metallischen Hitzeschild mit mindestens einer metallischen Lage, bei dem mindestens ein Anbindepunkt durch die mindestens eine metallische Lage hindurchreicht und bei dem auf beiden Seiten des mindestens einen Anbindepunkts in die mindestens eine Lage mindestens jeweils eine endliche Rippe eingeformt ist. Bezogen auf die kürzeste Verbindungslinie der beidseitigen Rippen durch den Mittelpunkt des Anbindepunkts verläuft die Haupterstreckungsrichtung der Rippen in einem Winkel von 60° bis 120°.
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Vorteilhafterweise beträgt dieser Winkel 70° bis 110°, besonders bevorzugt 85° bis 95°. Die Winkel der Haupterstreckungsrichtungen der Rippen auf beiden Seiten können dabei unterschiedlich sein. Die Rippen dienen dabei der Spannungsverteilung und Ableitung der Spannung. Die Scheitel der Rippen auf beiden Seiten des Anbindepunkts weisen dabei vorteilhafterweise in dieselbe Richtung, ragen also zur selben Richtung über die Oberfläche des Hitzeschilds hinaus. Eine Rippe wird einem Anbindepunkt zugeordnet, wenn sie diesem enger benachbart ist als einem anderen Anbindepunkt.
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Die Rippen erstrecken sich ausgehend von der virtuellen Verbindungslinie in beide Richtungen um maximal 8 cm, vorzugsweise um maximal 4 cm. Die Rippen auf beiden Seiten sind dabei bevorzugterweise jeweils als genau eine endliche Rippe ausgeführt. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass eine Rippe aus mehreren Teilstücken besteht, zwischen denen unstrukturierte Bereiche liegen.
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Besonders bevorzugt ist es, einen Anbindepunkt erfindungsgemäß mit Rippen zu versehen, wenn dieser Anbindepunkt sich nahe der Außenkante des Hitzeschilds befindet. Vorzugsweise weist die Haupterstreckungsrichtung der Rippen hier in Richtung der Außenkante des Hitzeschilds, wobei die Rippen entweder nicht weit von der Außenkante entfernt enden oder, noch mehr bevorzugt, direkt in die Außenkante einlaufen, so dass die Außenkante die Rippe tangiert bzw. dieser in ihrem Verlauf aus der Ebene heraus und zurück folgt.
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In einer Ausführung der Erfindung erstreckt sich mindestens eine der Rippen im Wesentlichen geradlinig. Dies hat eine besonders gute Spannungsableitung zur Folge.
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Oftmals ist es aber angesichts des Bauraums nicht möglich, die Rippen geradlinig auszuführen. Hier bieten sich gekrümmte Rippen an. Dabei ist es vorteilhaft, dass mindestens eine der Rippen eine Gesamtkrümmung mit einem Radius aufweist, der mindestens dem doppelten, bevorzugt mindestens dem sechsfachen, besonders bevorzugt mindestens dem zehnfachen Radius des Anbindepunkts entspricht. Es ist also vorteilhaft, wenn die Rippen nur eine geringe Krümmung aufweisen. Für eine besonders symmetrische Verteilung der Spannungen ist es besonders vorteilhaft, wenn die beiden Rippen auf beiden Seiten des Anbindepunkts dieselbe Krümmung aufweisen. Oftmals ist es aus Bauraumgründen oder aufgrund der sonstigen räumlichen Gestaltung des Hitzeschilds nicht möglich, bei beiden Rippen denselben Krümmungsradius einzubringen. Aber auch dann ist es bevorzugt, wenn sich die Krümmungsradien der beiden zu einem Anbindepunkt gehörigen Rippen um maximal 30%, bevorzugt um maximal 25%, besonders bevorzugt um maximal 15% unterscheiden.
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In einer zweiten Variante der Erfindung weist der metallische Hitzeschild ebenfalls mindestens eine metallische Lage auf, durch die mindestens ein Anbindepunkt hindurchreicht. Anstelle zweier Rippen zu beider Seiten des Anbindepunkts weist diese Variante aber nur eine endliche Rippe auf, die sich fortlaufend in einem Kreissegment von mindestens 200° und maximal 300° um den Anbindepunkt herum erstreckt, den Anbindepunkt also zu mehr als der Hälfte seines Umfangs umgibt. Ähnlich wie die beiden unabhängigen Rippen der ersten Variante verlaufen die den freien Enden benachbarten Flanken der Rippe relativ zur kürzesten Verbindungslinie der Rippe durch den Mittelpunkt des Anbindepunkts jeweils in einem Winkel von 60 bis 120°, bevorzugt von 70 bis 110°, besonders bevorzugt von 85° bis 95°.
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Hierbei ist es prinzipiell möglich, dass die abschnittsweise um ein größeres Kreissegment des Anbindepunkts umlaufende Rippe selbst eine Kreisringsegmentform aufweist. Auch V- oder bumerangförmige Rippenverläufe sind möglich. Experimentell wurde jedoch nachgewiesen, dass im wesentlichen U-förmige oder näherungsweise Π-förmige Verläufe mit abgerundeten Ecken vorteilhaft sind. Insbesondere hat sich gezeigt, dass im Wesentlichen geradlinige und/oder möglichst parallel zueinander verlaufende zu den freien Enden des Rippenverlaufs weisende Flanken im Hinblick auf die Spannungsreduktion vorteilhaft sind. Die beiden freien Schenkel entsprechen in ihrer Funktion dabei den beiden paarweise zu beiden Seiten des Anbindepunkts angeordneten Rippen der vorgenannten Variante. Auch bei der bogenförmigen Rippe erstrecken sich die zu den freien Enden der Rippe führenden Flanken bezogen auf eine kürzeste Verbindungslinie dieser Rippenflanken durch den Mittelpunkt des Anbindepunktes bevorzugterweise um maximal 8 cm, besonders bevorzugt um maximal 4 cm.
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Im Folgenden wird der Begriff „Kreissegmentrippe” verwendet, um eine endliche, nicht zum Kreis geschlossene Rippe anzugeben, die sich fortlaufend in einem Kreissegment von mindestens 200° und maximal 300° um den Anbindepunkt herum erstreckt. Der Begriff „Kreissegmentrippe” gibt dabei nicht notwendigerweise eine kreisringsegmentförmige Rippe an, sondern schließt alle Rippen ein, die sich wie in den beiden vorhergehenden Abschnitten beschrieben um den Anbindepunkt herum erstrecken und zwar über ein zusammenhängendes Segment von mindestens 200° des Umfangs des Anbindepunkts.
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Hitzeschilde können auch dann erfindungsgemäß mit mindestens einer Kreissegmentrippe oder einem zu beiden Seiten angeordneten Paar von Rippen ausgeführt werden, wenn der betreffende Anbindepunkt beispielsweise zur Vereinfachung der Montage des Hitzeschilds als Langloch ausgeführt ist. Prinzipiell sind sämtliche Orientierungen des Langlochs bezüglich der Kreissegmentrippe möglich. Es ist jedoch bevorzugt, wenn die Kreissegmentrippe hier so angeordnet ist, dass sich die freien Enden zu beiden Seiten des Langlochs in der längeren Erstreckungsrichtung befinden und die Kreissegmentrippe ein Ende des Langlochs komplett umläuft. Die Kreissegmentrippe erstreckt sich bevorzugt mindestens bis zur Mitte des Langlochs, d. h. seiner halben Erstreckung in seiner längeren Erstreckungsrichtung.
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Hitzeschilde weisen meist eine stark dreidimensionale Geometrie bzw. Topographie auf, die sich überwiegend aus der Geometrie der abzuschirmenden Bauteile und ihrer oftmals engen Umgebung ergibt. Die hierzu notwendigen Umformungen unterscheiden sich in ihrem Ausmass sehr stark zwischen verschiedenen Hitzeschilden. Im Gegensatz hierzu werden die Größen der Rippe(n) zur Spannungsreduktion immer in ähnlichen Bereichen gewählt werden. Die maximale Höhe der Rippe(n) wird üblicherweise zwischen 2 und 6 mm, bevorzugt zwischen 3 und 5 mm liegen, wobei die Bereichsgrenzen hier explizit mit eingeschlossen sein sollen. Im Hinblick auf eine hohe Symmetrie der Rippe(n) ist es vorteilhaft, wenn sich die maximale Höhe der Rippe(n) über mindestens 60% ihres Verlaufs um maximal 10%, bevorzugt um maximal 7,5%, besonders bevorzugt um maximal 5% ändert.
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Die Rippen können mit einem trapezförmigen Querschnitt ausgeführt werden. Die Rippen können aber auch einen halbkreisförmigen, kreissegmentförmigen, gerundeten oder sonstigen bogenförmigen Querschnitt haben.
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Sowohl bei der Variante mit zwei unabhängigen Rippen zu beiden Seiten des Anbindepunkts als auch bei der Variante mit einer Kreissegmentrippe ist es in vielen Fällen bevorzugt, wenn die Rippe(n) mit möglichst hoher Symmetrie ausgestaltet sind. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn sich die Querschnittsradien der beiden zu einem Anbindepunkt gehörigen Rippen bzw. der Flanken der Kreissegmentrippe um maximal 30%, bevorzugt um maximal 25%, besonders bevorzugt um maximal 15% unterscheiden. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die beiden zu einem Anbindepunkt gehörigen Rippen bzw. die Flanken der Kreissegmentrippe sich in ihrer maximalen Höhe um maximal 50%, bevorzugt um maximal 30%, besonders bevorzugt um maximal 20% unterscheiden.
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Die Breite der Rippen orientiert sich vorteilhafterweise an der Größe des Anbindepunkts. Die Gesamtbreite einer Rippe, d. h. ihre Breite von Fußpunkt zu Fußpunkt an der breitesten Stelle der Rippe – in Querrichtung – beträgt dabei weniger als der doppelte Durchmesser des Anbindepunkts, bevorzugt weniger als das 1,25-fache des Durchmessers des Anbindepunkts. Bei einem Langloch als Anbindepunkt ersetzt der kürzeste Querschnitt in diesem Zusammenhang den Durchmesser.
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Bei der Variante mit zwei unabhängigen Rippen auf beiden Seiten des Anbindepunkts ebenso wie bei der Variante mit einer einzigen Kreissegmentrippe ist es im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit vorteilhaft, wenn der Anbindepunkt vor oder beim Einführen des Befestigungsmittels mit einer Unterlegscheibe versehen wird. Eine Überschneidung der Unterlegscheibe mit den Rippen sollte jedoch vermieden werden, damit die Unterlegscheibe möglichst flach aufliegt. Um dies zu erreichen, weisen die zum Anbindepunkt weisenden Rippenfüße der beiden Rippen bzw. der Kreissegmentrippe bevorzugterweise einen Mindestabstand zum Mittelpunkt des Anbindepunkts auf, der mindestens dem Aussenradius der Unterlegscheibe entspricht. Vorteilhafterweise verläuft die eine Rippe oder die beiden Rippen so, dass die Rippenfüße an jeder Stelle einen Mindestabstand zum Mittelpunkt des Anbindepunkts und damit auch zum virtuellen Mittelpunkt der Unterlegscheibe aufweisen, der mindestens dem 1,2-fachen, bevorzugt mindestens dem 1,5-fachen des Radius der Unterlegscheibe entspricht. Der Mindestabstand des Rippenfußes zum Außenrand der Unterlegscheibe beträgt also bevorzugt ein Fünftel, besonders bevorzugt die Hälfte des Radius des Anbindepunkts.
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Metallische Hitzeschilde können prinzipiell ein- oder mehrlagig aufgebaut sein. Sie können dabei in einer ersten vorteilhaften Ausführung nur aus einer metallischen Lage bestehen. In einer alternativen vorteilhaften Ausführung kann ein metallischer Hitzeschild aus mindestens zwei metallischen Lagen bestehen. Zwischen den mindestens zwei metallischen Lagen können abschnittsweise Luftpolster vorhanden sein, es kann jedoch auch eine meist nicht metallische Isolationslage zumindest abschnittsweise zwischen den mindestens zwei metallischen Lagen angeordnet sein. All diesen Ausführungen ist gemeinsam, dass der mindestens eine Anbindepunkt durch alle Lagen hindurchreicht. Es ist jedoch möglich, dass nicht alle Lagen den Anbindepunkt unmittelbar umgeben. Insbesondere bei Isolationslagen kann es für die Dauerhaltbarkeit des Hitzeschilds vorteilhaft sein, diese in der Umgebung eines Anbindepunkts zurückzusetzen und größer auszuschneiden. Wird der Hitzeschild am betreffenden Anbindepunkt mit einer Unterlegscheibe montiert, ist es vorteilhaft, wenn der ausgesparte Bereich der Isolationslage mindestens so groß ist wie die Unterlegscheibe. Die Rippen befinden sich dann bevorzugt außerhalb dieses in der Isolationslage ausgesparten Bereichs.
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Bei mehrlagigen Hitzeschilden ist es möglich, den Hitzeschild so zu gestalten, dass er nur in einer Lage eine Kreissegmentrippe bzw. je eine Rippe auf beiden Seiten des Anbindepunkts aufweist. Für eine optimale Spannungsreduktion und somit Erhöhung der Dauerhaltbarkeit ist es jedoch vorteilhaft, wenn die eine Kreissegmentrippe bzw. das Rippenpaar in mindestens zwei metallischen Lagen ausgeformt sind und sich die Rippen der beiden Lagen zumindest abschnittsweise, bevorzugt jedoch im Wesentlichen vollflächig überlappen.
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Die Rippen können dabei in den mindestens zwei Lagen so ausgeführt sein, dass ihr Scheitel in dieselbe Richtung weist. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Rippe einer Lage in die Rippe der benachbarten Lage, zu der ihr Scheitel weist, eintaucht. Hierzu weisen die beiden Rippen einen im Wesentlichen gleichen Verlauf auf, wobei aber die Rippe, deren Scheitel frei liegt, zumindest geringfügig länger ausgeführt ist als die eintauchende Rippe. Bei identischem Querschnitt ist ein vollständiges Eintauchen möglich. Weist der metallische Hitzeschild zwischen zwei metallischen Lagen eine Isolationslage auf, folgt diese der Rippenform und schmiegt sich auch im Rippenbereich zwischen die zwei angrenzenden metallischen Lagen.
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Alternativ ist es möglich, dass die zumindest abschnittsweise überlappenden Rippen an einem Anbindepunkt mit ihrem Scheitel in unterschiedliche Richtungen, insbesondere voneinander weg, weisen. Hierdurch wird der Effekt der Rippen verstärkt und die Spannungsreduktion verbessert sich weiter.
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Generell ist es vorteilhaft, wenn die übereinander angeordneten Rippen an einem Anbindepunkt eines metallischen Hitzeschilds sich in ihrer Länge um maximal 15%, bevorzugt um maximal 10%, besonders bevorzugt um maximal 8% unterscheiden.
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Oftmals ist es bereits ausreichend, wenn an einem Anbindepunkt des metallischen Hitzeschilds erfindungsgemäß eine Kreissegmentrippe oder ein beidseitig angeordnetes Paar Rippen vorgesehen ist. Gerade bei großen Hitzeschilden und solchen mit bezüglich der Dauerhaltbarkeit sensiblen auskragenden Lappen kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn an mindestens zwei Anbindepunkten jeweils zu beiden Seiten der Anbindepunkte endliche Rippen verlaufen oder die Anbindepunkte kreissegmentförmig umlaufend jeweils eine um mindestens 200° und um maximal 300° des Kreisumfangs sich erstreckende Rippe vorhanden ist.
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Wie schon erwähnt, weisen die erfindungsgemäßen Hitzeschilde in einer Ausführungsform lediglich eine metallische Lage auf. Hierzu wird üblicherweise ein Stahlblech oder ein Aluminiumblech verwendet, das mittels geeigneter Beschichtungen beispielsweise in seinem Reflexionsverhalten an die individuellen Anforderungen angepasst werden kann. So werden Stahlbleche häufig mit Aluminium(-legierungen) beschichtet. Oft sind die einlagigen Hitzeschilde durch die Dicke ihrer Lage hindurch oder auch nur an mindestens einer ihrer Oberflächen mikrostrukturiert, beispielsweise in Form von Noppen. In einem mikrostrukturierten Hitzeschild mit einem vollflächig mikrostrukturierten Blech werden die Rippen vorteilhafterweise so eingebracht, dass beim Einformen der Rippen die Mikrostrukturierung im betreffenden Bereich im wesentlichen eingeebnet wird. Wird hingegen ein Blech verwendet, in das die Mikrostrukturierung nur bereichsweise eingeformt wird, wird die Umgebung des Anbindepunkts einschließlich des Bereichs, in den die Rippen eingeformt werden, vorzugsweise bei der Mikrostrukturierung ausgespart.
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In einer anderen Ausführungsform besteht der erfindungsgemäße Hitzeschild aus zwei metallischen Lagen, die wie schon zuvor beschrieben entweder flächig aufeinander liegen oder aber zumindest abschnittsweise voneinander beabstandet sind. Auch hier kann mindestens eine der Lagen wiederum durch die Dicke der Lage hindurch oder auch nur an mindestens einer ihrer Oberflächen mikrostrukturiert sein. Wieder kommen vor allem Stahl- oder Aluminiumbleche, mit oder ohne Beschichtung, zum Einsatz. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Noppen etc. einer Lage in Richtung der anderen metallischen Lage zeigen. Sind beide metallischen Lagen strukturiert, ist es bevorzugt, wenn die Lagen keine vollständig komplementäre, ineinander fügbare Struktur aufweisen, so dass die Auflagefläche der Lagen aufeinander reduziert ist. Zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften des Hitzeschildes ist es bevorzugt, wenn mindestens eine metallische Lage – üblicherweise diejenige, die einer Schallquelle zugewandt ist – perforiert ist, so dass sich Resonanzräume zwischen den Lagen bilden. Ganz besonders bevorzugt werden dabei Perforationen in einer metallischen Lage mit Noppen in der benachbarten metallischen Lage kombiniert, wobei die Verteilung der Noppen und der Perforationen aufeinander abgestimmt ist. Sind die Perforationen vollflächig vorhanden, können die Rippen problemlos auch in diesen Bereich eingeprägt werden. Es kann dabei vorkommen, dass ein Teil der Perforationen zugedrückt wird.
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Nur der Vollständigkeit halber soll erwähnt sein, dass es sich bei den Rippen nicht um mit Anschlägen versehene Auflagestellen für Clips oder sonstige Halterungs- oder Befestigungselemente handelt, wie sie etwa zum Zusammenhalten mehrteiliger Hitzeschilde oder zum Befestigen von Anbauteilen an einem Hitzeschild verwendet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Diese Zeichnungen sind schematischer Natur und beschreiben lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, diese sind aber zur Vermeidung von Wiederholungen nicht notwendigerweise bei der Beschreibung jedes Ausführungsbeispiels explizit genannt.
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Die Figuren zeigen schematisch:
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1: eine Schrägansicht eines metallischen Hitzeschilds des Stands der Technik;
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2: eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen metallischen Hitzeschilds;
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3 bis 7: Detailansichten von Anbindepunkten erfindungsgemäßer metallischer Hitzeschilde;
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8: eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen metallischen Hitzeschilds sowie eine zugehörige Detailansicht in Vergrößerung;
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9: mehrere Querschnitte von Rippen erfindungsgemäßer metallischer Hitzeschilde; und
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10: eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen metallischen Hitzeschilds sowie eine zugehörige Detailansicht in Vergrößerung und eine Variante dieser Detailansicht.
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1 zeigt einen metallischen Hitzeschild 1 des Stands der Technik. Der Hitzeschild 1 besteht aus einer einzigen Blechlage 2 und weist zwei Anbindepunkte 10, 11 auf. In einigen Bereichen ist der Hitzeschild 1 mit Versteifungsrippen 4 versehen. Die übrigen Linien illustrieren die dreidimensionale Form des Hitzeschilds. Hitzeschilde sind im eingebauten Zustand unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, was sich durch Längungen und Schrumpfungen bemerkbar macht. Darüberhinaus sind Hitzeschilde laufend Vibrationen ausgesetzt, wenn das Fahrzeug bzw. der Motor betrieben wird. Sowohl die thermische Ausdehung und Schrumpfung als auch die Vibrationen werden über den oder die Anbindepunkte auf den Hitzeschild übertragen. Aus diesem Grund sind Anbindepunkte besonders rissgefährdet.
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Im vorliegenden Hitzeschild des Stands der Technik wurde experimentell nachgewiesen, dass besonders starke Spannungen vorhanden sind. Diese führen langfristig zu Rissen, wobei zu erwarten ist, dass die Risse insbesondere von den Anbindepunkten ausgehen werden.
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Um dem vorzubeugen, wurden im erfindungsgemäßen Hitzeschild, der in 2 wiedergegeben ist, am Anbindepunkt 10 zwei Rippen 20a, 20b eingeformt, die sich beidseitig des Anbindepunkts 10 erstrecken. Die Rippen weisen eine Länge auf, die größer ist als der Durchmesser des Anbindepunkts 10. Die Breite der Rippen, von Rippenfuß zu Rippenfuß entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser des Anbindepunkts 10. Die Rippen verlaufen nicht parallel, sondern unter einem Winkel α zueinander. 3 bis 6 illustrieren die Umgebung der mit Rippen versehenen Anbindepunkte 10 erfindungsgemäßer Hitzeschilde.
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3 zeigt einen Ausschnitt einer Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Hitzeschild 1 im Bereich eines Anbindepunkts 10. Beidseitig des Anbindepunkts 10 ist je eine Rippe 20a, 20b eingeformt, wobei beide Rippen eine längliche Form aufweisen. Die beiden Rippen sind hier identisch ausgebildet und weisen je ein Plateau 28 und einen sich ringförmig darum herum erstreckenden ansteigenden Bereich 26 auf. Die Breite Wg und Länge Lg der Rippe betragen hier 20 mm bzw. 30 mm. Die Breite Wp und Länge Lp des Plateaus betragen im vorliegenden Beispiel 10 mm bzw. 20 mm. Beide Rippen sind so geformt, dass ihre Haupterstreckungsrichtung 24a, 24b jeweils einen rechten Winkel βa, βb zur kürzesten Verbindungslinie 22 der Rippen 20a, 20b durch den Mittelpunkt des Anbindepunkts 10 aufspannen.
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Beide Rippen weisen denselben Abstand d zwischen ihren jeweiligen Fußpunkten, d. h. dem jeweiligen Beginn des Anstiegs 26 aus der Ebene des Anbindepunkts heraus, und dem Rand 12 des Anbindepunkts 10 auf. Er beträgt im vorliegenden Beispiel 5 mm. Der Radius des Anbindepunkts 10 beträgt 10 mm.
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4 zeigt einen Ausschnitt aus einer Draufsicht eines anderen erfindungsgemäßen Hitzeschilds im Bereich eines seiner Anbindepunkte 10. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom vorigen dadurch, dass hier die Länge der Rippen 20a, 20b unterschiedlich ist. Die Rippe 20b weist bezogen auf ihre Gesamtlänge Lg ungefähr die 1,5 fache Länge der Rippe 20a auf.
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Im Ausführungsbeispiel der 5 entsprechen die Längen der Rippen im Wesentlichen denen des Beispiels aus der 4. Hier verlaufen die Haupterstreckungsrichtungen 24a, 24b der sich im Wesentlichen gerade erstreckenden Rippen 20a, 20b unter einem von 90° abweichenden Winkel βa, βb zur kürzesten Verbindungslinie 22 der Rippen 20a, 20b durch den Mittelpunkt des Anbindepunkts 10. Der Winkel βa beträgt 104°, βb ist mit 106° nur geringfügig größer.
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Im Ausführungsbeispiel der 6 liegt der Anbindepunkt sehr nahe an der Außenkante 8 des Hitzeschilds 1. Die dieser Außenkante 8 benachbarte Rippe 20a verläuft hier mit einem leicht gekrümmten Verlauf. Die Gesamtbreite der Rippe, die sich aus der Krümmung ergibt, ist wesentlich geringer als die Längserstreckung der Rippe 20a. Der Krümmungsradius r20 der Rippe 20a, der zugehörige Kreis ist mit gestrichelter Linie abschnittsweise angedeutet, beträgt nur einen Bruchteil des Radius r10 des Anbindepunkts, nämlich ungefähr ein Viertel. Die Haupterstreckungsrichtung 24a der Rippe 20a verläuft unter einem rechten Winkel zur kürzesten Verbindungslinie 22 der beiden Rippen 20a, 20b durch den Mittelpunkt des Anbindepunkts 10. Im Gegensatz hierzu verläuft die Erstreckung 24b der Rippe 20b unter einem Winkel βb von ca. 115° zur Verbindungslinie 22.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Π-förmigen Kreissegmentrippe 20 mit abgerundeten Ecken. Zwischen den freien Enden 25a, 25b erstreckt sich die Kreissegmentrippe zunächst geradlinig entlang ihrer Flanke 29a, ehe sie in einen Verbindungsabschnitt 27 übergeht, von dem aus sie sich in der Flanke 29b fortsetzt. Im dargestellten Beispiel erfolgen beide Übergänge rechtwinklig. Die Kreissegmentrippe umgibt den Anbindepunkt über ungefähr 250° seines Umfangs.
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Auch die Haupterstreckungsrichtung 24a, 24b der Flanken 29a, 29b verläuft rechtwinklig zur kürzesten Verbindungslinie 22 der Rippenflanken 29a, 29b durch den Mittelpunkt des Anbindepunkts 10. Es ergibt sich eine Gesamtbreite Bg der Kreissegmentripe 20, die hier 70 mm beträgt. Die Gesamtlänge Lg der Flanken 29a, 29b bis zu ihren freien Enden 25a, 25b ist hier aufgrund der spiegelsymmetrischen Ausgestaltung identisch und beträgt 35 mm. Es ist offensichtlich, dass die beiden Flanken 29a, 29b der Kreissegmentrippe 20 dieselbe Funktion übernehmen wie die beiden voneinander getrennten Rippen 20a, 20b der zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele. Die gestrichelten Linien deuten eine virtuelle Grenze zwischen den Flanken 29a, 29b und dem Verbindungsabschnitt 27 an.
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8-a zeigt eine Schrägansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Hitzeschilds 1, der hier zwei metallische Lagen 2, 3 aufweist. Der Hitzeschild 1 weist insgesamt drei Anbindepunkte 10, 10' und 11 auf. Während der hiermit 11 bezeichnete Anbindepunkt sich an einer Position befindet, die nur wenig rissgefährdet ist, ergibt sich an den Anbindepunkten 10 und 10' eine hohe insbesondere vibrationsbedingte Spannung und somit Rissgefährdung. In 8-b ist der Bereich des Anbindepunkts 10 im Detail dargestellt, wobei zusätzlich eine Unterlegscheibe 50 aufgelegt ist. Auf die Darstellung eines Befestigungsmittels wurde aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet. Die Anordnung der Rippen 20a, 20b in 8-b ähnelt der aus 4. Die ebene Fläche 13 in der Umgebung des Anbindepunkts erstreckt sich bis zu den dem Anbindepunkt 10 zugewandten Füßen 30 der Rippen 20a, 20b. Der Abstand 14 der Rippenfüße 30 zum Mittelpunkt des Anbindepunkts 10 beträgt etwas mehr als das 1,25-fache des Radius ru der Unterlegscheibe. Die Unterlegscheibe 50 liegt somit vollständig plan auf. Die Unterlegscheibe 50 weist hier einen Radius ru auf, der im Wesentlichen dem doppelten Radius r10 des Anbindepunkts 10 entspricht.
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9-a bis 9c illustrieren beispielhaft und schematisch den Querschnittsverlauf von Rippen 20, die entweder beidseitig des Anbindepunkts oder als Kreissegmentrippe abschnittsweise um den Anbindepunkt umlaufend angeordnet sind. Die Querschnitte entsprechen dabei beispielsweise dem Schnitt B-B in 5. Zwischen den beiden Rippenfüßen 30, die jeweils den Übergang aus der die Rippe umgebenden Ebene markieren, weisen die Rippen beidseitig jeweils einen ansteigenden Abschnitt auf, beide ansteigenden Abschnitte münden in den Scheitelbereich 40 der Rippe 20. Sämtliche Rippenquerschnitte der 9 zeigen spiegelsymmetrische Konfigurationen, prinzipiell ist es jedoch auch möglich, die Rippen mit unsymmetrischen Querschnitten zu gestalten. 9-a stellt eine Rippe 20 mit trapezförmigem Querschnitt dar. Typische Gesamtbreiten Wg liegen im Bereich von 10 bis 40 mm, während die Plateaubreite Wp bei dieser Querschnittsform üblicherweise zwischen 5 und 30 mm beträgt. Die Höhe H einer Rippe liegt meist im Bereich von 2 bis 6 mm, bevorzugt von 3 bis 5 mm. Typische Anstellwinkel γ betragen im Allgemeinen zwischen 5 und 80°, bevorzugt zwischen 20 und 60°. Der Querschnitt der 9-b weist eine abgerundete Form auf, die in der gezeigten Schnittdarstellung einem Querschnitt durch einen Hut nahe kommt. Die Höhe H entspricht der des trapezförmigen Beispiels. Das Verhältnis von Plateaubreite Wp mit üblicherweise 5 bis 30 mm zur Gesamtbreite Wg mit meist 10 bis 40 mm ist ähnlich dem des vorhergehenden Beispiels. Im Vergleich hierzu nimmt sich die Plateaubreite Wp mit 2 bis 15 mm bei halbkreisförmigen Querschnitten wie in der 9-c gezeigt sehr klein aus. Die Gesamtbreite Wp ebenso wie die Höhe H entsprechen den Werten des trapezförmigen Beispiels. Wird wie hier ein halbkreisförmiger Querschnitt verwendet, entspricht dessen Radius der Höhe H der Rippe. Es können jedoch auch kürzere Kreisabschnitte verwendet werden.
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Die Querschnitte, die in den 9-d bis 9-f dargestellt sind, repräsentieren Rippen 20 in mehrlagigen Hitzeschilden 1. Der Querschnitt entspricht prinzipiell wiederum einem mit dem Schnitt B-B aus 5 vergleichbarem Querschnitt durch den Hitzeschild 1. Im Querschnitt der 9-d ist die Rippe 20 eines zweilagigen Hitzeschilds 1 in leicht gesprengter Darstellung gezeigt. Die beiden Lagen 2, 3 sind also voneinander beabstandet dargestellt, tatsächlich liegen sie zumindest abschnittsweise aufeinander. Die Rippen 40, 40' beider Lagen 2, 3 weisen in dieselbe Richtung. Die Grundform der Rippe 20 entspricht in beiden Lagen 2, 3 der in 9-b für einen einlagigen Hitzeschild gezeigten, wobei die Rippe in Lage 3 eine etwas geringere Breite als in der Lage 2 aufweist, damit sie in die Rippe der Lage 2 fast vollständig eintauchen kann. Die Rippe 20 wird durch diese Konstruktion steifer, als wenn nur in einer Lage eine Rippe ausgebildet wäre. Die Dauerhaltbarkeit des Hitzeschilds wird hierdurch verbessert.
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Die Rippe 20 im Querschnitt der 9-e entspricht in ihrer Grundform der der 9-c, nämlich einem halbkreisförmigen Querschnitt. Hier ist der Hitzeschild 1 aus drei Lagen aufgebaut. Die beiden Außenlagen 2, 3 bestehen jeweils aus einem aluplattierten Stahlblech, dazwischen liegt eine flexible Faserpappe als Isolationslage 9. Die Rippe 20 wurde in alle drei Lagen gleichzeitig eingeformt, so dass die Lagen auch im Bereich der Rippe 20 flächig aufeinander liegen.
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Anders verhält es sich mit der 9-f, bei der ein Hitzeschild 1 aus zwei metallischen Lagen 2, 3 besteht. Hier weisen die Plateaus 28, 28' bzw. Scheitel 40, 40' der beiden Rippen 20, 20' voneinander weg. Eine derartige Konfiguration lässt sich konventionell nur herstellen, wenn beide metallischen Lagen 2, 3 unabhängig voneinander umgeformt werden. Dabei muss nicht notwendigerweise eine spiegelsymmetrische Anordnung der Rippen gewählt werden, die Rippen 20, 20' können sich insbesondere in ihrer Höhe, aber auch in ihrer Breite und Erstreckung unterscheiden. Die voneinander wegweisenden Rippen 20, 20' stellen eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dar, da die Rippen aufgrund ihrer Unabhängigkeit hier eine besonders gute Spannungsreduktion ermöglichen.
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10 zeigt in den Teilbildern 10-a und 10b eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hitzeschilds. 10-a stellt dabei eine vorteilhafte Variante des Hitzeschilds 1 aus 8-a dar, hier ist nun der äußerst rechts liegende Anbindepunkt mit 10 bezeichnet, in der betreffenden Einbausituation mit stärkeren Spannungen belastet und deshalb mit zwei Rippen 20a, 20b versehen. Die beiden übrigen Anbindepunkte 11, 11', die in 8-a jeweils mit Rippen versehen waren, kommen in der vorliegenden Einbausituation ohne Rippen aus. Aus 10-b wird deutlich, dass die beiden Rippen 20a, 20b nur an ihrem linken Ende über einen abfallenden Bereich 26 in die umgebende Ebene auslaufen. An ihrem rechten Ende münden sie mit ihren jeweiligen Plateaus 24a, 24b in den Außenrand 8 des Hitzeschilds. Diese Ausführungsform hat sich als besonders robust gegen spannungsbedingte Zerstörungen herausgestellt. Sie ist jedoch bei inmitten der Fläche eines Hitzeschildes befindlichen Anbindepunkten meist nicht realisierbar.
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10-c verdeutlicht eine vorteilhafte Variante zum Ausführungsbeispiel aus 10-a und 10b. Hier laufen die beiden Rippen 20a, 20b nicht in den Außenrand 8 des Hitzeschilds ein. Vielmehr reichen sie bis kurz vor den Außenrand 8. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Abstand des zu äußerst liegenden Punkts des Plateaus 24a bzw. der Mittellinie des Plateaus der Rippe 20a nur einen sehr geringen Abstand d26 zum Außenrand 8 aufweist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn dieser Abstand d26 kleiner ist als, insbesondere weniger als halb so groß ist wie der Abstand d22 der Mittellinie des Rippenplateaus 24, hier gestrichelt gezeichnet, vom Mittelpunkt des Anbindepunkts entlang der kürzesten Verbindungslinie 22. Gleiches gilt hier für die Rippe 20b, ist aber aus Übersichtlichkeitsgründen nicht separat illustriert.
