EP2689145A1 - Verbundmaterial mit prägung und mikroperforierung - Google Patents

Verbundmaterial mit prägung und mikroperforierung

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EP2689145A1
EP2689145A1 EP11802338.1A EP11802338A EP2689145A1 EP 2689145 A1 EP2689145 A1 EP 2689145A1 EP 11802338 A EP11802338 A EP 11802338A EP 2689145 A1 EP2689145 A1 EP 2689145A1
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EP
European Patent Office
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knob
sheet
bulges
piece
sheet metal
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Withdrawn
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EP11802338.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Schmitt
Markus Löhr
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Federal Mogul Sealing Systems GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Sealing Systems GmbH
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features
    • F01N13/14—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features having thermal insulation
    • F01N13/141—Double-walled exhaust pipes or housings
    • F01N13/143—Double-walled exhaust pipes or housings with air filling the space between both walls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B17/00—Connecting constructional elements or machine parts by a part of or on one member entering a hole in the other and involving plastic deformation
    • F16B17/008—Connecting constructional elements or machine parts by a part of or on one member entering a hole in the other and involving plastic deformation of sheets or plates mutually
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/04—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of riveting
    • F16B5/045—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of riveting without the use of separate rivets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2260/00—Exhaust treating devices having provisions not otherwise provided for
    • F01N2260/20—Exhaust treating devices having provisions not otherwise provided for for heat or sound protection, e.g. using a shield or specially shaped outer surface of exhaust device
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826—Assembling or joining

Definitions

  • the invention relates to a novel composite material, in particular for heat shields, and to a process for its production. Furthermore, it relates to a heat shield with the new composite material.
  • Heat shields for heat shielding of exhaust systems at e.g. Internal combustion engines are often made from several, individual metal and heat resistant fiber materials. The production of such composite materials is usually very expensive, and associated with high costs. The heat-resistant fiber materials also have high material costs. Heat shields made of fiber materials and metals are also very difficult to recycle. Fiber materials, in conjunction with steel sheets that have been punched, in addition to heat shielding also help lower the noise level close to the engine. For the production of such heat shields several operations are required. It is desirable to keep the weight of the shielding plates as low as possible. However, aluminum heat shields can only be used up to a temperature of approx. 400 ° C.
  • a novel heat shield consisting of two different materials.
  • this is an aluminum material and, on the other hand, a temperature-resistant steel or stainless steel material.
  • the two materials are joined together by means of mechanical clamping.
  • special knobs are embossed both in the aluminum sheet and in the steel sheet.
  • the arrangement of the first and second nubs coincide or the nubs are congruent, i. the distance from each other and the positions of the knobs are identical for both materials.
  • the clamping then takes place approximately in the center of the knobs by a part of the roof surface of the second knobs in the steel sheet is pressed into the adjacent roof surface of the corresponding first nubs. This creates a solid connection with which the sheets are connected in parallel.
  • knobs and clamping the knobs By providing the knobs and clamping the knobs, voids are created between the insides of the sheets in the composite sheet thus formed.
  • the air-filled cavities contribute to the insulating effect, at the same time keeping the weight low and creating a very rigid composite by the nub structure and clamping.
  • the knolls of the knobs face each other, and thus form in the composite as Spacer between the two sheets a serving with air as an insulator shield.
  • the method further comprises:
  • cutting out of a desired shape of a heat shield according to this embodiment may also be done after clamping.
  • the method further comprises:
  • the method further comprises:
  • a desired three-dimensional shape of the heat shield is generated, for example, to optimally surround parts of an exhaust system of a vehicle.
  • at least three tongues are broken out per bulge in the second sheet and pressed into the corresponding bulge of the first sheet.
  • a type of clip can be realized by means of a three or four-sided ground punch punch, which is pressed from the side of the steel sheet in the aluminum material.
  • the knob-like bulges have a hexagonal geometry.
  • the contour of the studs in the aluminum material is a hexagonal geometry, which is produced by means of a hexagon punch and hexagon die.
  • the die When producing the dimpled geometry in the steel sheet, the die also has a hexagonal profile.
  • a perforation is produced.
  • the embossing punch is designed in this embodiment so that the material during the embossing operation tears the center of the hexagon of the die. This tear is intentional and serves to reduce the noise level.
  • the crack may e.g. arise at 3 or 6 points of the pimples.
  • the clamping takes place substantially in the middle of the crests of the bulges
  • a shielding member made by a method as described above.
  • Fig. 1 shows an impression according to an embodiment of the invention in one
  • FIG. 2 shows a further embossment according to an embodiment of the invention in a 3D view
  • FIG. Fig. 3 shows an embodiment of the clamping according to the invention in
  • Fig. 4 shows a composite material according to the invention in cross-section.
  • FIG. 1 shows a knob-like protrusion or embossment 2 according to one embodiment.
  • the bulge 2 shown here is intended for use in the steel sheet. It has a hexagonal geometry or hexagonal base.
  • the (in this embodiment, three) tongues which are broken out of the sheet, for example, by a punch.
  • the number and shape of the tongues may vary.
  • FIG. 2 shows a nub-like embossment 6 according to an embodiment intended for use in the aluminum sheet. It also has a hexagonal geometry.
  • FIG. 3 shows in cross-section a Verklamm mecanicsstelle a composite material according to the invention.
  • the lower sheet 8 here is the aluminum sheet, in which before the clamping several knob-like protrusions 6, for example, as those of FIG. 2, were embossed.
  • the upper sheet 10 is here the steel sheet, in which before the clamping several knob-like bulges 2, for example as those of FIG. 1, were embossed.
  • the sheets 8 and 10 were then brought together so that the crests of the respective bulges abut each other. Thereafter, at least one tongue 4 is broken out in the steel sheet per buckle 2, wherein two tongues 4 can be seen in FIG. These tongues 4 are pressed into the opposite bulge 6 of the aluminum sheet to clamp the two sheets 8 and 10. 4 shows a cross section through a finished clamped composite sheet 1. Between the sheets cavities 12 are formed, wherein the knobs serve as spacers between the sheets. Furthermore, the sheets are stiffened and thus stabilized by the knobs. At the edges 14, the composite sheet is leveled.
  • a reduction in the noise level is achieved by using different materials, different material thicknesses, formed air-filled cavities and the micro-perforation;
  • the production of the heat shield material is possible in one operation
  • the heat shield Due to the cavities formed results in a low weight of the heat shield;
  • the heat shield is stiffened due to the embossing (nubs) and thus very stable.

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, umfassend Bereitstellen eines ersten Bleches (8) aus Aluminiumwerkstoff; Bereitstellen eines zweiten Bleches (10) aus einem Stahl Werkstoff; Einprägen von mehreren ersten noppenartigen Auswölbungen (6) in das erste Blech; Einprägen von mehreren zweiten noppenartigen Auswölbungen in das zweite Blech, wobei die Anordnung der zweiten noppenartigen Auswölbungen deckungsgleich zu der Anordnung der ersten noppenartigen Auswölbungen ist; Zusammenbringen des ersten und des zweiten Blechs auf der Seite der jeweiligen Auswölbungen, so dass die Kuppen der jeweiligen noppenartigen Auswölbungen aneinander anliegen; und Verklammern des ersten und des zweiten Blechs zu einem Verbund, indem mindestens je eine Zunge (4) aus den noppenartigen Auswölbungen des zweiten Blechs ausgebrochen und in die entsprechenden noppenartigen Auswölbungen des ersten Blechs eingedrückt wird. Weiterhin wird ein Abschirmelement bereitgestellt, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Description

Verbundmaterial mit Prägung und Mikroperforierung Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verbundmaterial, insbesondere für Hitzeschilde, und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Weiterhin betrifft sie einen Hitzeschild mit dem neuen Verbundmaterial.
Hitzeschutzschilde zur Wärmeabschirmung von Abgasanlagen bei z.B. Verbrennungsmotoren werden oft aus mehreren, einzelnen Metall- und hitzebeständigen Faserwerkstoffen hergestellt. Die Herstellung solcher Verbundwerkstoffe ist in der Regel sehr aufwendig, und mit hohen Kosten verbunden. Auch die hitzebeständigen Faserwerkstoffe schlagen mit hohen Materialeinzelkosten zu Buche. Hitzeschutzschilde bestehend aus Faserwerkstoffen und Metallen sind zudem nur sehr schwierig zu recyceln. Faserwerkstoffe, in Verbindung mit Stahlblechen, die mit Löchern versehen wurden, tragen zusätzlich zur Wärmeabschirmung auch dazu bei, den motornahen Geräuschpegel zu senken. Zur Herstellung solcher Hitzeschutzschilde sind mehrere Arbeitsgänge erforderlich. Es wird angestrebt, dass Gewicht der Abschirmbleche möglichst gering zu halten. Hitzeschilde aus Aluminium können allerdings nur bis zu einer Temperatur von ca. 400°C eingesetzt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend:
Bereitstellen eines ersten Bleches aus Aluminiumwerkstoff;
- Bereitstellen eines zweiten Bleches aus einem Stahlwerkstoff;
Einprägen von mehreren ersten noppenartigen Auswölbungen in das erste Blech; Einprägen von mehreren zweiten noppenartigen Auswölbungen in das zweite Blech, wobei die Anordnung der zweiten noppenartigen Auswölbungen deckungsgleich zu der Anordnung der ersten noppenartigen Auswölbungen ist; Zusammenbringen des ersten und des zweiten Blechs auf der Seite der jeweiligen Auswölbungen, so dass die Kuppen der jeweiligen noppenartigen Auswölbungen aneinander anliegen; und
Verklammern des ersten und des zweiten Blechs zu einem Verbund, indem mindestens je eine Zunge aus den noppenartigen Auswölbungen des zweiten Blechs ausgebrochen und in die entsprechenden noppenartigen Auswölbungen des ersten Blechs eingedrückt wird.
Es handelt sich bei der vorliegenden Erfindung um ein neuartiges Hitzeschild, bestehend aus zwei verschiedenen Werkstoffen. Es handelt sich hierbei einerseits um einen Aluminiumwerkstoff und andererseits um einen temperaturbeständigen Stahl- oder Edelstahlwerkstoff. Gemäß der Erfindung werden die beiden Werkstoffe mittels mechanischer Verklammerung miteinander verbunden. Vor dem eigentlichen Verklammern der Bleche werden spezielle Noppen sowohl in das Aluminiumblech als auch in das Stahlblech geprägt. Die Anordnung der ersten und zweiten Noppen stimmt überein bzw. die Noppen sind deckungsgleich, d.h. das Abstandsmaß voneinander sowie die Positionen der Noppen sind bei beiden Werkstoffen identisch. Beim Zusammenbringen der genoppten Bleche werden diese an den Seiten aneinandergefügt, an denen die Noppen herausragen, so dass die Dachflächen bzw. Kuppen der jeweiligen Noppen aneinanderstoßen. Die Verklammerung findet dann jeweils ungefähr mittig der Noppen statt, indem ein Teil der Dachfläche der zweiten Noppen im Stahlblech in die anliegende Dachfläche der entsprechenden ersten Noppen gedrückt wird. Dadurch entsteht eine feste Verbindung, mit der die Bleche parallel zueinander verbunden werden.
Durch das Vorsehen der Noppen und das Verklammern der Noppen werden in dem so gebildeten Verbundblech Hohlräume zwischen den Innenseiten der Bleche erzeugt. Die luftgefüllten Hohlräume tragen zur Isolierwirkung bei, wobei gleichzeitig das Gewicht gering gehalten und durch die Noppenstruktur und Verklammerung ein sehr steifer Verbund entsteht. Die Kuppen der Noppen stehen sich gegenüber, und bilden somit im Verbund als Abstandshalter zwischen den beiden Blechen ein mit Luft als Isolator dienendes Abschirmelement.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter:
- Ausschneiden einer vorgegebenen Form aus dem Verbund.
Alternativ zu bereits vorgeschnittenen Blechen kann ein Ausschneiden einer gewünschten Form eines Hitzeschildes gemäß dieser Ausführungsform auch nach dem Verklammern erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter:
Planieren des Randes des Verbunds, so dass der Rand nach außen hin geschlossen wird. Dadurch werden der Rand geglättet und die zwischen den Blechen gebildeten Luftkammern abgeschlossen. Im Randbereich des Hitzeschildes wird das Material in einer Breite von ca. 1 mm - 3 mm planiert. Es verbleibt kein nach außen offener Hohlraum zwischen den Lagen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter:
- Verformen des Verbunds, um eine vorgegebene dreidimensionale Form zu erhalten.
So wird eine gewünschte dreidimensionale Form des Hitzeschildes erzeugt, beispielsweise um Teile einer Abgasanlage eines Fahrzeugs optimal zu umgeben. Gemäß einer Ausführungsform werden pro Auswölbung im zweiten Blech mindestens drei Zungen ausgebrochen und in die entsprechende Auswölbung des ersten Blechs eingedrückt.
Durch mehr Zungen wird die Güte der Verklammerung verbessert. Beispielsweise kann im Stahlblech eine Art Klammer mittels eines drei- oder vierseitig angeschliffenen Lochstempels realisiert werden, die von der Seite des Stahlblechs aus in den Aluminiumwerkstoff gedrückt wird. Gemäß einer Ausführungsform weisen die noppenartigen Auswölbungen eine Sechskant- Geometrie auf. Bei der Kontur der Noppen im Aluminiumwerkstoff handelt es sich um eine Sechskant- Geometrie, die mittels Sechskantstempel und Sechskantmatrize hergestellt wird. Bei der Herstellung der Noppengeometrie im Stahlblech hat die Matrize ebenfalls ein Sechskantprofil. Gemäß einer Ausführungsform entsteht beim Einprägen der Noppen und/oder beim Verklammern des ersten und zweiten Blechs eine Perforierung.
Der Prägestempel ist bei dieser Ausführungsform so ausgelegt, dass der Werkstoff während der Prägeoperation mittig des Sechskants der Matrize einreißt. Dieser Einriss ist gewollt, und dient zur Reduzierung des Geräuschpegels. Der Riss kann z.B. an 3 oder 6 Stellen der Noppen entstehen.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Verklammerung im Wesentlichen mittig der Kuppen der Auswölbungen
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Abschirmelement bereitgestellt, hergestellt nach einem Verfahren wie vorstehend beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt eine Einprägung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer
3D-Ansicht;
Fig. 2 zeigt eine weitere Einprägung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer 3D-Ansicht; Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verklammerung im
Querschnitt; und
Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial im Querschnitt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In Figur 1 ist eine noppenartige Auswölbung bzw. Einprägung 2 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Die hier gezeigte Auswölbung 2 ist zur Verwendung in dem Stahlblech vorgesehen. Sie besitzt eine Sechskant-Geometrie bzw. sechskantige Basis. Zu erkennen sind die (in diesem Ausführungsbeispiel drei) Zungen, die beispielsweise durch einen Lochstempel aus dem Blech herausgebrochen werden. In alternativen Ausführungsformen kann die Zahl und auch Form der Zungen variieren. In Figur 2 ist eine noppenartige Auswölbung bzw. Einprägung 6 gemäß einer Ausführungsform gezeigt, die für die Verwendung in dem Aluminiumblech vorgesehen ist. Auch sie besitzt eine Sechskant-Geometrie.
Figur 3 zeigt im Querschnitt eine Verklammerungsstelle eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials. Das untere Blech 8 ist hier das Aluminiumblech, in das vor der Verklammerung mehrere noppenartige Auswölbungen 6, beispielsweise wie die aus Fig. 2, eingeprägt wurden. Das obere Blech 10 ist hier das Stahlblech, in das vor der Verklammerung mehrere noppenartige Auswölbungen 2, beispielsweise wie die aus Fig. 1, eingeprägt wurden.
Die Bleche 8 und 10 wurden dann so zusammengebracht, dass die Kuppen der jeweiligen Auswölbungen aneinander anliegen. Danach wird in dem Stahlblech pro Aus Wölbung 2 mindestens eine Zunge 4 herausgebrochen, wobei in der Fig. 3 zwei Zungen 4 zu sehen sind. Diese Zungen 4 werden in die gegenüberliegende Auswölbung 6 des Aluminiumblechs gedrückt, um die beiden Bleche 8 und 10 zu verklammern. Die Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch ein fertig verklammertes Verbundblech 1. Zwischen den Blechen werden Hohlräume 12 gebildet, wobei die Noppen als Abstandshalter zwischen den Blechen dienen. Weiterhin werden durch die Noppen die Bleche versteift und somit stabilisiert. An den Rändern 14 wird das Verbundblech planiert.
Die Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
Eine Reduzierung des Geräuschpegels wird erreicht durch Verwendung unterschiedlicher Materialien, unterschiedlicher Materialdicken, gebildete luftgefüllte Hohlräume und die Mikro-Perforierung;
Die Fertigung des Hitzeschildmaterials ist in einem Arbeitsgang möglich;
Es kann auf zusätzliche Werkstoffe verzichtet werden, die als Abstandshalter oder
Isolator dienen;
Durch den Verzicht beispielsweise auf Dämmstoffe wird ein Recycling erleichtert, da die Trennung der Bleche wesentlich leichter zu bewerkstelligen ist als die Entfernung eines Faserdämmstoffes etc.;
Durch die gebildeten Hohlräume resultiert ein geringes Gewicht des Hitzeschildes; Der Hitzeschild wird aufgrund der Prägung (Noppen) versteift und somit sehr stabil.

Claims

Ansprüche
Verfahren, umfassend:
Bereitstellen eines ersten Bleches aus Aluminiumwerkstoff;
Bereitstellen eines zweiten Bleches aus einem Stahl Werkstoff;
Einprägen von mehreren ersten noppenartigen Auswölbungen in das erste
Blech;
Einprägen von mehreren zweiten noppenartigen Auswölbungen in das zweite Blech, wobei die Anordnung der zweiten noppenartigen Auswölbungen deckungsgleich zu der Anordnung der ersten noppenartigen Auswölbungen ist; Zusammenbringen des ersten und des zweiten Blechs auf der Seite der jeweiligen Auswölbungen, so dass die Kuppen der jeweiligen noppenartigen Auswölbungen aneinander anliegen; und
Verklammern des ersten und des zweiten Blechs zu einem Verbund, indem mindestens je eine Zunge aus den noppenartigen Auswölbungen des zweiten Blechs ausgebrochen und in die entsprechenden noppenartigen Auswölbungen des ersten Blechs eingedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , weiter umfassend;
Ausschneiden einer vorgegebenen Form aus dem Verbund.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend;
Planieren des Randes des Verbunds, so dass der Rand nach außen hin geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Verformen des Verbunds, um eine vorgegebene dreidimensionale Form erhalten. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei pro Auswölbung im zweiten Blech mindestens drei Zungen ausgebrochen und in die entsprechende Auswölbung des ersten Blechs eingedrückt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die noppenartigen Auswölbungen eine Sechskant-Geometrie aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Einprägen der noppenartigen Auswölbungen und/oder beim Verklammern des ersten und zweiten Blechs eine Perforierung entsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verklammerung im Wesentlichen mittig der Kuppen der noppenartigen Auswölbungen erfolgt.
Abschirmelement, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1
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