DE202009011843U1 - Hitzeschild - Google Patents

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Abstract

Hitzeschild (1) zum Abschirmen eines Gegenstandes (90) gegen Hitze und/oder Schall mit wenigstens einer Lage (2, 3) und mindestens zwei Durchgangsöffnungen (4) für Befestigungsmittel, wobei der Hitzeschild (1) mindestens eine sickenförmige Profilierung (5) aufweist, die zwei Außenkanten (11, 12) des Hitzeschildes (1) verbindet und die mindestens eine virtuelle Verbindungslinie (40) mindestens zweier Durchgangsöffnungen (4) für Befestigungsmittel schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der sickenförmigen Profilierung (5) auf der Oberfläche des Hitzeschildes (1) in der Abwicklung des Hitzeschilds gekrümmt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hitzeschild zum Abschirmen eines Gegenstandes gegen Hitze und/oder Schall mit mindestens einer 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.
  • 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 Wärmeübertragung durch direkten Kontakt auf ein Minimum reduziert werden kann. Alternativ kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Hitzeschild der Form des wärmeemittierenden Bauteils folgt und lediglich eine Isolationsschicht, oftmals Vlies, zwischen der mindestens einen Lage des Hitzeschilds und dem Bauteil vorgesehen ist, wobei sowohl zwischen Bauteil und Vlies einerseits und zwischen Vlies und Hitzeschild-Lage andererseits flächiger Kontakt besteht.
  • 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.
  • 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.
  • Weiter wurde versucht, dem Hitzeschild selbst Dehnfähigkeit zu verleihen, indem geradlinig verlaufende, die Verbindungslinien zwischen den Anbindepunkten des Hitzeschildes im wesentlichen senkrecht schneidende sickenförmige Profilierungen in den Hitzeschild eingeformt wurden. Dies hat aber zur Folge, dass die Steifigkeit des Hitzeschilds quer zur Sicke stark reduziert wird. Die Eigenfrequenz des Hitzeschildes reduziert sich und die Schwingungsamplitude erhöht sich, was wiederum bewirkt, dass zwar die Spannungen im Bauteil aufgrund der Dehnung geringer werden, die Spannungen aufgrund der Schwingung werden jedoch höher, so dass die Rissanfälligkeit des Hitzeschilds effektiv nicht reduziert wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen Hitzeschild anzugeben, der der wärmebedingten Ausdehnung des wärmeführenden benachbarten Bauteils folgen kann und dabei seine Steifigkeit im Wesentlichen behält. Die Herstellkosten und der Aufwand bei der Herstellung dürfen sich dabei gegenüber den Hitzeschilden des Stands der Technik nicht wesentlich erhöhen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem Hitzeschild gemäß Anspruch 1 oder 2. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung betrifft also einerseits einen Hitzeschild zum Abschirmen eines Gegenstandes gegen Hitze und/oder Schall, wobei der Hitzeschild wenigstens eine Lage aufweist. Der Hitzeschild wird über mindestens zwei Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel an einem oder mehreren im Betrieb des Verbrennungsmotors wärmeführenden Bauteilen montiert. Zum Ausgleich der wärmebedingten Dehnung dieses Bauteils weist der Hitzeschild mindestens eine sickenförmige Profilierung auf, die zwei Außenkanten des Hitzeschildes verbindet, sich also über die gesamte Breite des Hitzeschildes erstreckt, und dabei die virtuelle Verbindungslinie mindestens zweier Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel schneidet. Zum Erhalt der Steifigkeit des Hitzeschildes und zur Vermeidung erhöhter Schwingungen verläuft die sickenförmige Profilierung auf der Oberfläche des Hitzeschilds gekrümmt. Hiermit soll betont werden, dass die Krümmung sich nicht auf eine Formgebung beschränkt, wie sie der gesamte Hitzeschild aufgrund seiner dreidimensionalen Form aufweist, wenn etwa eine geradlinige sickenförmige Profilierung der makroskopischen Sattelform eines Hitzeschilds folgt. Vielmehr verläuft die Sicke auch in Projektion auf eine Ebene, wie sie beispielsweise mindestens drei Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel aufspannen, gekrümmt. Gleiches gilt für die Abwicklung des Hitzeschildes.
  • Hierbei ist es ausreichend wenn ein Bereich der Außenkante so mit einem anderen Bereich der Außenkante verbunden wird, dass beide Bereiche auf unterschiedlichen Seiten einer virtuellen geraden Verbindungslinie zwischen zwei Befestigungsmitteldurchgangsöffnungen des Hitzeschilds liegen und die sickenförmige Profilierung eben diese virtuelle Verbindungslinie schneidet.
  • Die Erfindung betrifft andererseits einen Hitzeschild, der umlaufend in der Nähe der Außenkante eine Stufung aufweist. In diesem Fall ist es nicht notwendig, dass die sickenförmige Profilierung von Außenkante zu Außenkante des Hitzeschilds reicht. Vielmehr ist es hier ausreichend, wenn die sickenförmige Profilierung zwei unterschiedliche Randbereiche der Stufung miteinander verbindet und dabei unter einem insgesamt gekrümmten Verlauf mindestens eine virtuelle Verbindungslinie zweier Anbindepunkte schneidet. In Anlehnung an den Begriff Außenkante wird hier der Begriff Stufungskante definiert, der den Rand der von der Stufung begrenzten Fläche bezeichnet.
  • Als gekrümmte Verläufe der sickenförmigen Profilierung kommen beispielsweise bogenförmige, s-förmige oder gewinkelte Verläufe in Frage. Ein bogenförmiger oder s-förmiger Verlauf ist dabei bevorzugt, da sich die Krümmung der sickenförmigen Profilierung hierbei stetig oder zumindest mehrfach ändert. Bei gewinkelten Verläufen sind die Bereiche, in denen die Richtungsänderung erfolgt, meist mit geradlinigen Abschnitten verbunden. Auch bei bogen- oder s-förmigen Verläufen können gekrümmte Bereiche von geraden Abschnitten unterbrochen sein oder die sickenförmige Profilierung einen geraden Ein- bzw. Auslauf aufweisen. Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die sickenförmige Profilierung einen Abschnitt aufweist, in dem sie nicht gerade verläuft, wobei die Länge dieses Abschnitts mindestens 60% ihrer Gesamtlänge entspricht. Hierdurch wird vermieden, dass sich eine bevorzugte Biegelinie einstellt, die zur oben genannten Schwächung des Hitzeschildes führen würde.
  • Zum einfacheren Verständnis soll für das folgende eine Trendlinie für die sickenförmige Profilierung eingeführt werden, die einer Gerade entspricht und nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aus dem Verlauf der sickenförmigen Profilierung in ihrer Abwicklung in der Ebene des Hitzeschilds erhalten wird. Bevorzugterweise schneidet die Trendlinie der sickenförmigen Profilierung die virtuelle gerade Verbindungslinie zwischen zwei Befestigungsmitteldurchgangsöffnungen unter einem Winkel zwischen 45° und 135°, insbesondere zwischen 55° und 125°. Es ist dabei zu vermeiden, dass die reale sickenförmige Profilierung nur wenig Abweichung von ihrer Trendlinie aufweist, so zum Beispiel schlangenlinienförmig verlaufende sickenförmige Profilierungen, die mit geringer Amplitude um eine gerade Linie oszillieren. Die Krümmung der sickenförmigen Profilierung muss mindestens so deutlich ausfallen, dass ihre am weitesten von der Trendlinie entfernten Punkte einen Abstand zur Trendlinie einhalten, bei dem die Sickenmitte mindestens drei, bevorzugt mindestens fünf Sickenbreiten von der Trendlinie entfernt ist.
  • Wird der Hitzeschild über mehr als zwei Anbindepunkte befestigt, etwa über vier Anbindepunkte, so ist es in Abhängigkeit von der Gesamtgeometrie des Hitzeschildes denkbar, dass diese Anbindepunkte ein Trapez oder Parallelogramm aufspannen. Dabei ist es durchaus möglich, dass die sickenförmige Profilierung so verläuft, dass ihre Abschnitte, die die zueinander parallelen virtuellen Verbindungslinien zwischen den Befestigungsmitteldurchgangsöffnungen schneiden, parallel zueinander ausgerichtet sind. In diesem Fall ist es aber notwendig, dass die virtuellen geraden Verlängerungslinien der parallelen Abschnitte der sickenförmigen Profilierung einen Mindestabstand größer einer Sickenbreite (bezogen auf die Sickenbreite im Bereich der jeweiligen Schnittpunkte mit den virtuellen Verbindungslinien) einhalten. Ein Abschnitt ist dabei so definiert, dass seine Länge mindestens der dreifachen Breite der sickenförmigen Profilierung entspricht (von Fußpunkt zu Fußpunkt).
  • Die sickenförmige Profilierung kann sich mit konstanter Höhe von einer Außenkante zur anderen Außenkante (beziehungsweise von Stufenkante zu Stufenkante) des Hitzeschilds erstrecken. Meist ist es jedoch bevorzugt, dass die Sicke ihre Höhe über ihren Verlauf ändert. Sie wird dabei ihre größte Höhe im Bereich ihres mindestens einen Schnittpunktes mit einer virtuellen geraden Verbindungslinie zweier Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel haben. In Richtung der Außenkante (bzw. der Stufenkante) des Hitzeschildes wird ihre Höhe dagegen bevorzugt abnehmen, aber nie auf null zurückgehen. In einem kegelförmigen Bereich, der sich ausgehend vom jeweiligen Anbindepunkt entlang der virtuellen Verbindungslinie in einem Winkel von 30° bezogen auf diese Verbindungslinie öffnet, wird die Höhe der Sicke bevorzugt mindestens 60% der maximalen Höhe der Sicke betragen. Im Allgemeinen wird die Höhe der sickenförmigen Profilierung zwischen 2 und 40 mm, bevorzugt zwischen 4 und 20 mm betragen. Ändert sich die Höhe über den Verlauf der sickenförmigen Profilierung, so wird sie sich dennoch in diesem Bereich bewegen.
  • Die Breite der sickenförmigen Profilierung kann ebenso wie ihre Höhe über ihren Verlauf konstant bleiben oder sich ändern. Sie leitet sich dabei von der Höhe der sickenförmigen Profilierung ab, die minimale Höhe der sickenförmigen Profilierung darf dabei nicht geringer sein als 35% ihrer maximalen Breite.
  • Die sickenförmige Profilierung weist bevorzugt einen bogenförmigen Querschnitt auf. Dieser kann einer Vollsicke entsprechen, also spiegelsymmetrisch relativ zu einer vertikalen Spiegelebene durch ihren höchsten Punkt bzw. die Mitte ihres Plateaus ausgebildet sein. Sie kann aber auch als unsymmetrische Vollsicke ausgebildet sein, so dass ihre Flanken unterschiedlich steil und/oder unterschiedlich lang verlaufen. Weiter kann auch eine Doppelsicke zum Einsatz kommen, die wie ein liegendes S symmetrisch oder unsymmetrisch beidseitig aus der Ebene des Hitzeschildes herausragt. Auch die Anordnung mehrerer sickenförmiger Profilierungen nebeneinander kann in einzelnen Fällen vorteilhaft sein. Die genannten Sicken-Querschnittsformen können im Verlauf der sickenförmigen Profilierung auch ineinander übergehen. Im Allgemeinen wird die sickenförmige Profilierung jedoch nicht nur einen halbsickenförmigen Querschnitt aufweisen, was einer einfachen Stufung oder Kröpfung entsprechen würde; vielmehr findet über den Querschnitt zumindest eine Auslenkung in eine Richtung und eine Auslenkung in deren Gegenrichtung statt.
  • Zur Anpassung an die Form des abzuschirmenden Gegenstandes und/oder des wärmeführenden Bauteils, an dem der Hitzeschild befestigt wird, weist der Hitzeschild üblicherweise eine dreidimensionale Makrostruktur auf.
  • Die erfindungsgemäßen Hitzeschilde weisen in einer Ausführungsform lediglich eine metallische Lage auf. Hierzu wird üblicherweise ein Stahlblech oder ein Aluminiumblech verwendet, die mittels geeigneter Beschichtungen beispielsweise in ihrem Reflexionsverhalten an die individuellen Anforderungen angepasst werden können. 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 oder lokal begrenzten Rippen. Diese Rippen erstrecken sich jedoch keinesfalls von einer Außenkante (beziehungsweise Stufenkante) des Hitzeschildes unter Querung einer virtuellen Verbindungslinie zwischen zwei Befestigungsmittel-Durchgangsöffnungen zu einer anderen Außenkante (beziehungsweise Stufenkante) des Hitzeschildes. Die sickenförmige Profilierung kann dabei so eingebracht werden, dass sich die Mikrostrukturierung über die Profilierung fortsetzt, gegebenenfalls mit reduzierter Höhe/Tiefe. Es ist jedoch auch möglich, die sickenförmige Profilierung so einzuprägen, dass die Mikrostrukturierung im Bereich der sickenförmigen Profilierung weitgehend eingeebnet wird. Kommt es zu Längungen im Bereich der Mikrostrukturierung, kann diese Struktur auch vergrößert werden.
  • Ist die Mikrostrukturierung in Form rippenförmiger Profilierungen mit größerer Länge gestaltet, ist es auch möglich, dass sich diese mit der sickenförmigen Profilierung unter Ausbildung eines gemeinsamen Plateaus kreuzt. Die Übergänge zwischen den sich kreuzenden Profilierungen werden dabei aus Umformgründen abgerundet verlaufen.
  • In einer anderen Ausführungsform besteht der erfindungsgemäße Hitzeschild aus zwei metallischen Lagen, die 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 Stähle oder Aluminium, mit oder ohne Beschichtung, zum Einsatz. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Rippen und/oder Noppen etc. einer Lage in Richtung der anderen metallischen Lage zeigen. Sind beide metallischen Lagen strukturiert, ist es bevorzugt, wenn die Lagen keine 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 benachbart 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.
  • Als alternative Materialien zu Metall kommen prinzipiell auch imprägnierte und/oder modifizierte Glasfasergewebe in Frage, ebenso wie metallbeschichtete oder metallkaschierte Kunststoffe, wobei Kunststoffe mit größerer Temperaturbeständigkeit zum Einsatz kommen. Auch bei Kunststoff-Hitzeschilden kann eine Kombination mit einer Fasermatte sinnvoll sein.
  • Grundsätzlich wird die sickenförmige Profilierung in einen derartigen zweilagigen Hitzeschild so eingebracht, dass sie in beiden Lagen vorhanden ist, damit Spannungen im Hitzeschild vermieden werden. In einer ersten Variante greifen die sickenförmigen Profilierungen der beiden Lagen ineinander. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die beiden sickenförmigen Profilierungen an allen Stellen in beiden Lagen dieselbe Höhe/Tiefe und Breite aufweisen müssen. In einer zweiten Variante weisen die sickenförmigen Profilierungen voneinander weg und bilden so bei einem parallelen Verlauf der sickenförmigen Profilierungen einen Kanal. Die sickenförmigen Profilierungen müssen dabei keineswegs an allen Stellen dieselbe Breite oder Tiefe aufweisen. In einer dritten Variante weisen die voneinander wegweisenden sickenförmigen Profilierungen in den beiden Lagen einen unterschiedlichen Verlauf auf, beispielsweise parallel zueinander versetzt. Auch hier ist es bei allen genannten Varianten möglich, dass die Mikrostrukturierung im Bereich der sickenförmigen Profilierung nahezu unverändert erhalten, in ihrer Höhe reduziert oder gar im wesentlichen eingeebnet wird. Bei Perforationen ist es darüber hinaus denkbar, aber nicht zwingend, dass sich die Lochgröße im Bereich der sickenförmigen Profilierung verkleinert.
  • Weiter können die thermischen, insbesondere aber die akustischen Eigenschaften der Hitzeschilde durch Kombination der mindestens einen metallischen Lage mit einer faser-basierten Lage oder einer Lage aus verdichteten mineralischen Partikeln verbessert werden.
  • Bei einem Hitzeschild mit nur einer Metalllage wird üblicherweise nur faserbasiertes Material hinzukombiniert, da bei partikelbasierten Lagen das Risiko besteht, dass sich die Partikel so voneinander lösen, dass Krümel entstehen. Diese faserbasierte Lage wird üblicherweise auf der im eingebauten Zustand der Schallquelle zugewandten Seite des Blechs aufgebracht und mit Methoden des Stands der Technik (z. B. Umbördeln des Randes der Blechlage, Punktschweißen, Kleben, Nieten, Clinchen, Toxen) befestigt. Das faserbasierte Material wird dabei oft in einer Abmessung vorgesehen, die dazu führt, dass sie – je nachdem ob sie auf der konvexen oder konkaven Seite der Sicke aufgebracht ist – in die Vertiefung eintaucht oder der Erhebung folgt. Aufgrund der Nachgiebigkeit des faserbasierten Materials ist es auch möglich, dass es diese auf deren konkaver Seite überspannt. Die Kombination einer metallischen Lage mit einem faserbasierten Material ist auch deshalb bevorzugt, weil sich das faserbasierte Material aufgrund seiner Flexibilität an die sickenförmige Profilierung der Blechlage anschmiegt.
  • Bei Hitzeschilden mit mindestens zwei metallischen Lagen wird die faser- oder partikelbasierte Lage üblicherweise zwischen den beiden metallischen Lagen vorgesehen, so dass auch in diesem Fall die sickenförmige Profilierung bevorzugterweise durch alle Lagen hindurchreicht.
  • Um ihre Funktion voll zu entfalten, weist die sickenförmige Profilierung an jeder Stelle ihres Verlaufs einen Mindestabstand zu den Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel auf. Dieser beträgt mindestens 5 mm, bevorzugt mindestens 25 mm. Andererseits wird sie bevorzugt nicht mittig zwischen zwei Anbindepunkten verlaufen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Diese Zeichnungen dienen ausschließlich der Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, ohne dass die Erfindung auf diese beschränkt wäre. Gleiche Teile sind in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Die Figuren zeigen schematisch:
  • 1 eine Schrägansicht eines auf einem wärmeführenden Bauteil montierten Hitzeschilds des Stands der Technik;
  • 2 eine Schrägansicht eines anderen auf einem wärmeführenden Bauteil montierten Hitzeschilds des Stands der Technik;
  • 3 eine Schrägansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds;
  • 4 eine Schrägansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds;
  • 5 eine Schrägansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds;
  • 6 in vier Teilbildern Draufsichten weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Hitzeschilde;
  • 7 eine Prinzipskizze der Einbausituation des erfindungsgemäßen Hitzeschilds;
  • 8 in vier Teilbildern Querschnitte entsprechend dem Schnitt A-A in 6b der sickenförmigen Profilierung in einem einlagigen Hitzeschild;
  • 9 in vier Teilbildern Querschnitte der sickenförmigen Profilierung in mehrlagigen Hitzeschilden ähnlich dem Schnitt A-A in 6b; und
  • 10 ein zweilagiges Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes in Draufsicht und Schnittdarstellung.
  • 1 zeigt einen Hitzeschild 100 des Stands der Technik mit einer metallischen Lage 102, der auf einem Heißgas, beispielsweise Abgas, führenden Rohr 119 montiert ist. Auf die Darstellung der Schrauben wurde aus Klarheitsgründen verzichtet. Die Anbindepunkte 104 bzw. 114 sind stattdessen ohne Schrauben dargestellt, um zu verdeutlichen, dass die Durchgangsöffnungen 104 als kreisrunde Durchgangsöffnungen ausgeführt sind, während die Durchgangsöffnungen 114 Langlöcher sind. Die Langlöcher ermöglichen es, dass die Schrauben, mit denen der Hitzeschild am Rohr 119 befestigt ist, bei einer Ausdehnung bei Erwärmen (bzw. Schrumpfen aufgrund von Abkühlen) des Rohrs in Richtung des Doppelpfeils dieser Bewegung folgen können, auch wenn die Längung bzw. Verkürzung im Hitzeschild 100 wesentlich geringer ausfällt als im Rohr 119. Der Hitzeschild selbst muss der Ausdehnung und dem Schrumpfen des Rohrs 119 somit gar nicht folgen, was Spannungen im Hitzeschild vermindert. Andererseits bewirkt das „Mitwandern” der Schraubenköpfe, dass die Umgebung der Durchgangsöffnungen 114 einem starken Abrieb ausgesetzt ist und dadurch im Dauerbetrieb ein großes Risiko von Rissen und Brüchen, insbesondere im geraden Bereich zwischen den beiden Durchgangsöffnungen 114 oder im Randbereich der Druchgangsöffnungen 104 und/oder 114 entsteht.
  • In 2 ist ein weiterer Hitzeschild des Stands der Technik dargestellt, der wiederum an einem im Motorbetrieb Heißgas führenden Rohr 119 befestigt ist, um benachbarte Bauteile vor zu großer Hitze zu schützen. Hier sind alle vier Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel 104 als kreisrunde Öffnungen ausgebildet, nunmehr sind auch die Köpfe der Schrauben 149 dargestellt. Eine sickenförmige Profilierung 105 verbindet die beiden einander gegenüberliegenden Außenkanten 111, 112 des Hitzeschildes 100 geradlinig. Hierdurch kann der Hitzeschild zwar der Bewegung des Rohrs 119 folgen, die sickenförmige Profilierung 105 verliert aber einen Großteil ihrer Steifigkeit, so dass der Hitzeschild – unter Einwirkung der Vibration im Motorraum – wesentlich leichter in Schwingung versetzt werden kann, was langfristig ebenfalls Risse im Hitzeschild zur Folge hat.
  • Die an den beiden vorgenannten Beispielen von Hitzeschilden des Stands der Technik geschilderten Probleme werden mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild 1, das in 3 gezeigt ist, vermieden. Auf die Darstellung des wärmeführenden Bauteils, dessen Ausdehnung zu den oben geschilderten Problemen führt, wurde verzichtet. Stattdessen ist wiederum mit einem Doppelpfeil die Ausdehnungsrichtung dieses nicht dargestellten Bauteils angedeutet. Der Hitzeschild 1 weist wie in den Beispielen des Stands der Technik vier als im Wesentlichen kreisrund ausgeführte Anbindepunkte 4 auf, die insgesamt sechs Verbindungslinien 40 untereinander aufspannen. Hierbei können drei Arten von geraden virtuellen Verbindungslinien zwischen den Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel unterschieden werden: Verbindungslinien 40a, die im Wesentlichen parallel zur Ausdehnungsrichtung verlaufen, Verbindungslinien 40b, die im wesentlichen senkrecht zur Ausdehnungsrichtung verlaufen und einander kreuzende Verbindungslinien 40c. In den Hitzeschild 1 ist nun eine sickenförmige Profilierung 5 eingeformt, die sich von einer Außenkante 11 zur gegenüberliegenden Außenkante 12 des Hitzeschilds 1 erstreckt und sowohl die Verbindungslinien 40a als auch die Verbindungslinien 40c schneidet. Die Dehnrichtung der Sicke verläuft im wesentlichen parallel zur Ausdehnungsrichtung des Bauteils, an dem der Hitzeschild befestigt wird. Dadurch kann der Hitzeschild, ohne dass in ihm unerwünschte Spannungen entstehen, der Bewegung dieses Bauteils folgen. Die sickenförmige Profilierung 5 verläuft anders als im Beispiel der 2 jedoch nicht geradlinig über die Oberfläche des insgesamt dreidimensional verformten Hitzeschildes 1, sondern weist mehrere Richtungsänderungen 51 auf. Durch diesen gekrümmten Verlauf weist die sickenförmige Profilierung 5 einen wesentlich größeren Widerstand gegenüber Schwingungen auf und behält ihre Steifigkeit bei. Es kommt dadurch nicht zu schwingungsbedingten Rissen oder Brüchen im Hitzeschild 1.
  • Aus 3 ist weiter ersichtlich, dass der Verlauf der sickenförmigen Profilierung – auch bei Abwicklung des Hitzeschilds 1 – insgesamt bogenförmig ist, wobei keine kontinuierlichen Richtungswechsel stattfinden, sondern lokal begrenzte Richtungswechsel in Form von ca. 25° bis 40° aufspannenden Winkeln vorhanden sind. Durch die beiden Schnittpunkte 44 mit den Verbindungslinien 40a der Anbindepunkte 4 verläuft die sickenförmige Profilierung 5 jeweils mit unterschiedlicher Richtung, d. h. nicht parallel. Dies verstärkt das Biegewiderstandsmoment der sickenförmigen Profilierung 5.
  • Im Ausführungsbeispiel der 3 ist ein Hitzeschild 1 mit nur einer metallischen Lage 2 gezeigt. Parallel zu seiner Außenkante verläuft eine weitere Profilierung 8, die halbsicken- oder stufenförmig um den gesamten Hitzeschild 1 umläuft, dabei reicht sie jedoch nicht bis zur Außenkante. Die sickenförmige Profilierung 5 quert diese Profilierung in der Nähe beider Außenkanten 11, 12 und folgt dabei im Wesentlichen der Stufung der Profilierung 8. Weiter ist aus 3 ersichtlich, dass die sickenförmige Profilierung 5 ihre Höhe in ihrem Verlauf ändert. Sie weist ihre größte Höhe im Bereich zwischen ihren beiden Schnittpunkten 44 mit den Verbindungslinien 40a auf, während die geringste Höhe nahe den Außenkanten 11, 12 vorhanden ist.
  • 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes 1. Die Anbindung dieses Hitzeschildes 1 erfolgt über nur zwei Anbindepunkte 4. Die durch den Doppelpfeil angedeutete Ausdehnungsrichtung des Bauteils, an dem der Hitzeschild befestigt wird, verläuft im wesentlichen parallel zur Verbindungslinie 40 zwischen den Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel 4. Wiederum erstreckt sich eine sickenförmige Profilierung 1 gekrümmt über die dreidimensional verformte Oberfläche des Hitzeschilds und verbindet dabei die beiden einander gegenüberliegenden Außenkanten 11, 12 des Hitzeschilds 1. Der Hitzeschild weist weitere Profilierungen 8 auf, die wie im Beispiel der 1 lediglich eine Stufung darstellen, also keine Sickenform im engeren Sinne aufweisen. Weiter ist in 4 zu erkennen, dass keine dieser weiteren Profilierungen 8 zwei Außenkanten des Hitzeschilds verbindet und gleichzeitig die Verbindungslinie 40 zwischen den Befestigungsmittel-Durchgangsöffnungen 4 schneidet.
  • Der Hitzeschild der 4 unterscheidet sich weiter von dem der 3 dadurch, dass er zwei metallische Lagen 2, 3 aufweist, wobei die Lage 2 unter Ausbildung eines Bördels 23 um die Außenkante der Lage 3 herumgefalzt ist. Weiter ist angedeutet, dass dieser Hitzeschild 1 eine Zwischenlage 6 beispielsweise aus temperaturfester Pappe, faserbasiertem Material oder auch verfestigtem partikelbasiertem Material, beispielsweise Glimmer aufweist. Diese Zwischenlage 6 reicht im dargestellten Beispiel nicht bis in den Bereich 32 hinein, erstreckt sich aber über den Bereich der sickenförmigen Profilierung 5.
  • 5 stellt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds dar, bei dem der gesamte Außenrand 11 des Hitzeschilds 1 von einer Stufung 9 umgeben ist. Die sickenförmige Profilierung 5 reicht hier nicht von einer Außenkante 12 zur anderen, sondern erstreckt sich nur von Stufenkante 91 zur gegenüberliegenden Stufenkante 92. Die sickenförmige Profilierung 5 reduziert dabei im Übergangsbereich zur Stufenkante 91 bzw. 92 ihre Höhe und geht in die Stufung 9 über. Bezüglich ihres sonstigen Aufbaus entspricht der Hitzeschild 1 der 5 im Wesentlichen dem der 3. Die sickenförmige Profilierung 5 schneidet die virtuellen Verbindungslinien 40a und 40c der Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel 4 mit einem gekrümmten Verlauf.
  • 6a stellt einen weiteren erfindungsgemäßen Hitzeschild 1 dar, der ähnlich dem der 3 vier rechteckig angeordnete Befestigungspunkte 4 aufweist. Daraus ergeben sich wieder die bereits geschilderten drei Typen von Verbindungslinien 40a, 40b, 40c zwischen diesen Befestigungspunkten 4. Wiederum verläuft eine sickenförmige Profilierung 5 von einer Außenkante 11 zur anderen Außenkante 12 des Hitzeschilds 1 und schneidet dabei vier Verbindungslinien 40a, 40c. In der Draufsicht auf den Hitzeschild 1 ist gut erkennbar, wie die sickenförmige Profilierung 5 gekrümmt über die Oberfläche des Hitzeschildes 1 verläuft. Der Gesamtverlauf ist dabei wiederum bogenförmig mit einer starken Krümmung im Bereich 51, d. h. ungefähr auf halber Länge der sickenförmigen Profilierung 5. Daneben erfährt die Erstreckungsrichtung der sickenförmigen Profilierung 5 lokal kaum merkliche Richtungswechsel. Die Oberfläche des Hitzeschilds 1 fällt im Bereich seiner Außenkanten stark ab, ragt quasi in die Papierebene hinein. Aus diesem Grund ähnelt die Darstellung der sickenförmigen Profilierung in diesem Bereich einer Querschnittsdarstellung. Dies steht nicht im Widerspruch dazu, dass die Höhe der sickenförmigen Profilierung in Richtung der Außenkanten 11, 12 nicht zunimmt. Wie im Beispiel der 3 ist der Verlauf der sickenförmigen Profilierung 5 im Bereich der beiden Schnittpunkte 44 mit den Verbindungslinien 40a nicht parallel, sondern vielmehr gegenläufig, was dem Hitzeschild 1 zusätzlichen Biegewiderstand in diesem Bereich verleiht.
  • 6b stellt einen ähnlichen erfindungsgemäßen Hitzeschild 1 wie 6a dar, die Anordnung der Anbindepunkte 4 und somit auch deren Verbindungslinien ist identisch. Gleiches gilt für die makroskopische Gestalt des Hitzeschilds 1. Der Verlauf der sickenförmigen Profilierung 5 unterscheidet sich jedoch beträchtlich von dem in 6a, hier liegt ein im Wesentlichen z-förmiger Verlauf vor. Im Bereich ihrer Schnittpunkte 44a und 44b mit den Verbindungslinien 40a weist die sickenförmige Profilierung eine ähnliche Orientierung auf. Näherungsweise sind die betreffenden Abschnitte der sickenförmigen Profilierung mit großem Abstand parallel zueinander versetzt (s. gepunktete Linien) und halten dabei einen beträchtlichen Abstand, der ein Vielfaches der Sickenbreite beträgt, ein. Während in unmittelbarer Nachbarschaft zum Schnittpunkt 44a zudem eine kleinere Richtungsänderung 51' eintritt, verläuft die Profilierung im Bereich des Schnittpunkts 44b im Wesentlichen geradlinig.
  • Der Hitzeschild 1 der 6c unterscheidet sich von dem der 6b nur durch die Zweilagigkeit – Lagen 2 und 3 – und die Mikrostrukturierung 28 zumindest der Lage 2, wodurch Luftpolster im Inneren des Hitzeschilds 1 gebildet werden. Die Mikrostrukturierung kann dabei noppenförmig sein oder aber auch, wie gezeigt, entlang eines zweidimensionalen Gitters oder Netzes in die metallische Lage 2 eingeformt sein. Die Mikrostrukturierung kann sich auf Verformungen des Materials beschränken, kann aber auch eine Perforation beinhalten. Es ist aus 6c offensichtlich, dass im gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel lediglich begrenzte Abschnitte diese Mikrostrukturierung aufweisen und die sickenförmige Profilierung keine derartige Mikrostrukturierung zeigt.
  • 6d stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem die Ausdehnungsrichtung des mindestens einen Bauteils, an dem der Hitzeschild 1 befestigt ist, anders orientiert ist als in den Beispielen der 6a bis 6c, wie dies der Doppelpfeil verdeutlicht. Entsprechend reicht die sickenförmige Profilierung 5 nicht von einer Außenkante zur gegenüberliegenden Außenkante, sondern verbindet zwei Außenkanten 11 und 12, die zueinander in einem rechten Winkel angeordnet sind. Die sickenförmige Profilierung 5 separiert dabei eine Durchgangsöffnung für Befestigungsmittel 4 von drei anderen.
  • 7 schematisiert die Lage des Hitzeschilds 1 auf einer Außenseite eines wärmeführenden Bauteils 91, an dem der Hitzeschild 1 mittels mindestens zweier Schrauben 49 befestigt ist. Der Hitzeschild 1 schützt das in der Nähe angeordnete Bauteil 18 vor übermäßiger Wärmeübertragung. Der Querschnitt der sickenförmigen Profilierung 5 in der dargestellten Schnittebene ist im Wesentlichen parallel zur Ausdehnungsrichtung des Bauteils 19 ausgerichtet. Auf eine Andeutung der dreidimensionalen Makrostruktur der Bauteile 1, 18 und 91 wurde verzichtet. Wie aus 7 ersichtlich wird die sickenförmige Profilierung bevorzugt nicht mittig zwischen den beiden Anbindepunkten/Schrauben 49 vorgesehen, sondern seitlich versetzt, hier näher am rechten Anbindepunkt.
  • 8a zeigt einen im wesentlichen bogenförmigen Querschnitt einer sickenförmigen Profilierung 5, wie er beispielsweise dem Schnitt A-A in 6b entspricht. Die sickenförmige Profilierung ist als symmetrische Vollsicke eingebracht, wobei die Höhe der Sicke zwischen 2 und 40 mm, bevorzugt zwischen 4 und 20 mm beträgt. Diese Höhe kann im Verlauf der sickenförmigen Profilierung auch variieren. Gleiches gilt für die Breite. Das Verhältnis H/B sollte immer größer 0,35 sein. Die Radien R1 und R2 betragen üblicherweise zwischen 3 und 60 mm, bevorzugt zwischen 5 und 20 mm. R3 ergibt sich aus R1 und der Blechdicke.
  • Eine unsymmetrische Vollsicke 5 ist im Querschnitt der 8b erkennbar, die Höhen H1 und H2 liegen dabei wiederum im oben genannten Bereich zwischen 2 und 40 mm bzw. 4 und 20 mm, unterscheiden sich jedoch deutlich voneinander. In 8c ist eine Doppelsicke 5 im Querschnitt gezeigt, deren Gesamthöhe H sich aus unterschiedlich großen Auslenkungen H1 und H2 aus der ursprünglichen Ebene des Hitzeschilds summiert. H1 und H2 liegen dabei im oben genannten Bereich. Im gezeigten Beispiel setzt sich diese Doppelsicke auf ihren beiden Seiten auf derselben Höhe fort, wie dies schon im Beispiel der 8a der Fall war. Prinzipiell ist aber auch möglich, dass durch die Doppelsicke ein Versatz wie in 8b eintritt. Im gezeigten Beispiel sind beide Breiten B1 und B2 identisch, beide folgen wiederum der Beschrankung, dass H/B größer 0,35 sein soll. 8d zeigt schließlich die Anordnung mehrerer, hier dreier, sickenförmiger Profilierungen 5, 5' und 5'' nebeneinander, wobei diese in ihrem weiteren Verlauf nicht notwendigerweise parallel zueinander fortgeführt werden müssen. Hinsichtlich der Abmessungen gilt das zu 8a Gesagte hier für alle Einzelsicken. Sämtliche Schnitte der 8 entsprechen einem Querschnitt durch die sickenförmige Profilierung 5, etwa entsprechend dem Querschnitt A-A in 6b. Sie können im Verlauf der sickenförmigen Profilierung 5 ineinander übergehen.
  • 9 verdeutlicht abschließend den Aufbau mehrlagiger erfindungsgemäßer Hitzeschilde 1 im Bereich der sickenförmigen Profilierung 5. 9a stellt einen sehr einfachen Aufbau, bei dem zwei metallische Lagen 2, 3 unmittelbar aufeinander liegen, dar. Im Beispiel der 9b ist zwischen zwei metallische Lagen 2, 3 eine nicht-metallische Isolationslage 6, etwa eine Lage aus binderfrei gepresstem Glimmermaterial zwischengefasst. Das Beispiel der 9c beschränkt sich auf eine metallische Lage 3, auf die eine nicht-metallische Lage 6, etwa eine faserverstärkte Pappelage, aufgelegt ist. 9d verdeutlicht einerseits, dass mindestens eine der metallischen Lagen 2, 3 perforiert sein kann, also ähnlich einem Spießblech/Lochblech ausgeführt ist (s. Lage 3). Andererseits ist im Beispiel der 9d gezeigt, dass die sickenförmigen Profilierungen 5 in den beiden metallischen Lagen 2, 3 nicht notwendigerweise ineinander greifen oder gar flächig aufeinander liegen müssen, sondern mit ihren Sickendächern auch voneinander weg weisen können. Auch hier ist eine ausreichende Nachgiebigkeit der sickenförmigen Profilierung sichergestellt. Im gezeigten Beispiel der 9d befindet sich weiter eine schallabsorbierende Einlage im Innern der voneinander weg weisenden sickenförmigen Profilierungen, die beispielsweise bandförmig entlang der gesamten Profilierung oder auch nur entlang eines Abschnitts der Profilierung verläuft. Neben dem gezeigten rechteckigen Querschnitt sind auch andere Querschnittsformen des Bandes 7 möglich, etwa runde oder ovale. Durch die Nachgiebigkeit des Bandes 7 wird die Funktion der sickenförmigen Profilierung nicht beeinträchtigt.
  • Auf sämtliche mehrlagige Aufbauten der 9 lassen sich selbstverständlich sämtliche Querschnitte der 8 anwenden.
  • 10 demonstriert, dass die sickenförmigen Profilierungen 5, 5' in zweilagigen erfindungsgemäßen Hitzeschilden 1 nicht notwendigerweise unmittelbar übereinander verlaufen müssen. Vielmehr können sie auch gegeneinander versetzt sein und unterschiedliche Verläufe aufweisen, wie die Sicken 5 und 5' zeigen.

Claims (19)

  1. Hitzeschild (1) zum Abschirmen eines Gegenstandes (90) gegen Hitze und/oder Schall mit wenigstens einer Lage (2, 3) und mindestens zwei Durchgangsöffnungen (4) für Befestigungsmittel, wobei der Hitzeschild (1) mindestens eine sickenförmige Profilierung (5) aufweist, die zwei Außenkanten (11, 12) des Hitzeschildes (1) verbindet und die mindestens eine virtuelle Verbindungslinie (40) mindestens zweier Durchgangsöffnungen (4) für Befestigungsmittel schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der sickenförmigen Profilierung (5) auf der Oberfläche des Hitzeschildes (1) in der Abwicklung des Hitzeschilds gekrümmt ist.
  2. Hitzeschild (1) zum Abschirmen eines Gegenstandes (90) gegen Hitze und/oder Schall mit wenigstens einer Lage (2, 3) und mindestens zwei Durchgangsöffnungen (4) für Befestigungsmittel, wobei der Hitzeschild (1) mindestens eine entlang des gesamten Außenrandes des Hitzeschildes (1) umlaufende Stufung (9) aufweist, der Hitzeschild (1) mindestens eine sickenförmige Profilierung (5) aufweist, die zwei Stufenkanten (91, 92) des Hitzeschildes (1) verbindet und die mindestens eine virtuelle Verbindungslinie (40) mindestens zweier Durchgangsöffnungen (4) für Befestigungsmittel schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der sickenförmigen Profilierung (5) auf der Oberfläche des Hitzeschildes (1) in der Abwicklung des Hitzeschilds gekrümmt ist.
  3. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sickenform der sickenförmigen Profilierung (5) einer Vollsicke (50), einer Doppelsicke (51) oder einer asymmetrischen Vollsicke (52) entspricht.
  4. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der sickenförmigen Profilierung (5) bogenförmig ist.
  5. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der sickenförmigen Profilierung (5) s-förmig ist.
  6. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der sickenförmigen Profilierung (5) gewinkelt ist.
  7. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sickenförmige Profilierung über eine ununterbrochene Länge, die mindestens 60% ihrer Gesamtlänge entspricht nicht gerade verläuft.
  8. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der sickenförmige Profilierung (5) zwischen 2 und 20 mm beträgt.
  9. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sickenförmige Profilierung (5) in ihrem Verlauf ihre Höhe ändert.
  10. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sickenförmige Profilierung (5) ihre größte Höhe im Bereich ihres Schnittpunktes (44) mit der virtuellen Verbindungslinie (40) zweier Durchgangsöffnungen (4) aufweist.
  11. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sickenförmige Profilierung (5) eine Breite zwischen 5 und 30 mm aufweist.
  12. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sickenförmige Profilierung (5) in ihrem Verlauf ihre Breite ändert.
  13. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Höhe der sickenförmigen Profilierung (5) mindestens 35% der maximalen Breite der sickenförmigen Profilierung (5) beträgt.
  14. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der mindestens einen Lage (2, 3) ausgewählt ist aus Metall, insbesondere Stahl, beschichtetem Stahl oder Aluminium, thermoplastischem oder duroplastischem Kunststoff mit oder ohne Metallbeschichtung/-kaschierung oder imprägniertem und/oder modifiziertem Glasfasergewebe.
  15. Hitzeschild nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild mindestens zwei Metalllagen (2, 3) umfasst, wobei mindestens zwei Metalllagen (2, 3) die sickenförmige Profilierung (5) aufweisen.
  16. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild mindestens eine faser-basierte Lage (6) oder eine Lage aus verdichteten mineralischen Partikeln (7) aufweist.
  17. Hitzeschild nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die faser-basierte Lage (6) oder die Lage aus verdichteten mineralischen Partikeln (7) im Bereich der sickenförmigen Profilierung zumindest abschnittsweise vorhanden ist.
  18. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sickenförmige Profilierung (5) andere Profilierungen (8) kreuzt.
  19. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die sickenförmige Profilierung (5) einen Mindestabstand von 5 mm zu den Durchgangsöffnungen (4) für Befestigungsmittel einhält.
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