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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Entkopplungselement und dessen
Verwendungen in einer Verbindungsvorrichtung, einer Bauteilanordnung, insbesondere
zum Befestigen eines Hitzeabschirmteiles an einem weiteren Bauteil,
zur Befestigung einer Zylinderkopfhaube an einem Zylinderkopf oder auch
zum Verspannen von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstack.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Entkopplungselemente bekannt,
mit denen ein Hitzeschild an einem heißen Bauteil befestigbar
ist. So zeigt die
DE
10 2005 024 864 A1 ein Entkopplungselement, das zwischen
einem Hitzeschild und einem Abgaskrümmer angeordnet ist.
Dieses Hitzeschild weist einen Stapel von Wellfedern auf, die von
einer Hülse umfasst werden. Die Wellfedern verringern den
Wärmeübergang von dem Abgaskrümmer zum Hitzeschild.
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Nachteilig
an diesem Entkopplungselement ist unter anderem, dass es aus einer
Vielzahl von Einzelelementen besteht und daher in der Herstellung sehr
aufwendig und kostenintensiv ist. Dies gilt auch für andere
Entkopplungselemente aus dem Stand der Technik, die meist eine Kombination
von Drahtgestrickkissen und Verschraubungshülsen aufweisen. Diese
Elemente sind hauptsächlich zur Schwingungsdämpfung
konstruiert und lassen einen relativ hohen Wärmedurchgang
zu. Auch diese Elemente bestehen aus mehreren Einzelelementen, was
ihre Herstellung aufwendig macht.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Entkopplungselement
zur Verfügung zu stellen, das einen geringen Wärmedurchgang
und eine gute Schwingungsentkopplung aufweist. Weiterhin ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsvorrichtung
und eine Bauteilanordnung unter Verwendung des Entkopplungselementes
zur Verfügung zu stellen und besondere Verwendungen des
Entkopplungselements anzugeben. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen
Entkopplungselementes anzugeben, das fertigungstechnisch einfach
und kostengünstig durchgeführt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch das Entkopplungselement nach Anspruch 1, die
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 17, die Bauteilanordnung nach
Anspruch 19, die Verwendung nach Anspruch 20 sowie das Verfahren
nach Anspruch 21 oder 23 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Gegenstände, Verwendungen
und Verfahren werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen
gegeben.
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Das
erfindungsgemäße Entkopplungselement weist nun mindestens
zwei Lagen übereinander angeordneter Blechabschnitte auf.
Diese Blechabschnitte sind zumindest abschnittsweise mit einer im Querschnitt
wellenförmigen Profilierung versehen. Die wellenförmige
Profilierung erstreckt sich dabei weitgehend linear, sie kann sich
auch vollständig linear erstrecken. Geringe Abweichungen
von der Linearität sind jedoch ohne wesentlichen Verlust
der Funktion möglich. Die Profilierung weist mindestens
zwei Perioden auf, d. h. sie weist mindestens zwei Erhöhungen
und zwei Vertiefungen im Querschnitt auf. Die Blechabschnitte sind
nun so angeordnet, dass sich die Profilierungen einander überkreuzen,
insbesondere vorteilhafterweise unter einem Winkel ≥ 15°, vorteilhafterweise ≥ 30°,
vorteilhafterweise ≥ 45°, vorteilhafterweise ≥ 60° überkreuzen.
Eine optimale Anordnung ergibt sich, wenn die Profilierungen senkrecht
oder zumindest mit einem Winkel zwischen 87° und 93° zueinander
verlaufen.
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Unter
wellenförmiger Profilierung werden hier nicht nur Profilierungen
mit sinusförmiger Grundgeometrie sondern auch solche mit
sich wellenförmig aneinander reihenden sägezahnförmigen
oder trapezförmigen Erhebungen und Vertiefungen verstanden.
Hier wird im folgenden verkürzt von sägezahnförmiger
oder trapezförmiger Profilierung gesprochen, auch wenn
diese Geometriebeschreibung im engeren Sinne nur ein Grundelement
der Profilierung betrifft.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Entkopplungselement ergeben
sich nun zwischen den übereinander liegenden Blechabschnitten
lediglich dort Berührungspunkte, an denen sich die Erhöhungen,
bei einer wellenförmigen Profilierung die Wellenberge,
des einen Blechabschnitts mit den Vertiefungen, bei einer wellenförmigen
Profi lierung den Wellentälern, überkreuzen und
berühren. Damit sind die Berührungsflächen
zwischen übereinanderliegenden Blechabschnitten minimiert.
Es ergibt sich hierdurch eine hervorragende Schwingungsentkopplung
zwischen den Blechabschnitten und eine sehr geringe Wärmeübertragung
(hohe thermische Entkopplung). Die beiden aneinander zu befestigenden
Bauteile sind also bezüglich der Schwingungsübertragung
oder der Wärmeübertragung hervorragend voneinander
entkoppelt.
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Als
ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Entkopplungselements
entstehen zwischen den einzelnen Blechabschnitten große
Freiräume, die luftdurchströmt sind oder sogar
gekühlt werden können. Hierdurch kann eine weitere
Verringerung der Wärmeübertragung bewirkt werden.
Auch die Dauerhaltbarkeit des erfindungsgemäßen
Entkopplungselements wird daher positiv beeinflusst.
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Das
erfindungsgemäße Entkopplungselement kann sehr
kostengünstig und fertigungstechnisch einfach hergestellt
werden. So kann beispielsweise ein Endlosband verwendet werden,
in das nacheinander die Profilierungen der einzelnen Blechabschnitte
eingebracht, beispielsweise geprägt, rolliert oder tiefgezogen,
werden können. Durch Falten des Endlosbandes können
dann die einzelnen profilierten Abschnitte übereinander
gebracht werden. Ist die gewünschte Anzahl Blechlagen im
Entkopplungselement erreicht, so kann das Endlosband durchtrennt
werden. Durch dieses günstige Fertigungsverfahren ist es
möglich, die einzelnen Blechabschnitte und damit auch ganze
Entkopplungselemente sehr variabel zu gestalten. Auch die Herstellung
der Werkzeuge kann kostengünstig erfolgen.
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Die
einzelnen Blechabschnitte des Entkopplungsele ments können
selbstverständlich auch einzeln gefertigt und anschließend übereinander
angeordnet werden. In diesem Falle bietet es sich an, die einzelnen
Blechabschnitte über eine Hülse oder Klammer,
die den obersten und untersten Blechabschnitt des Entkopplungselements
umgreift, miteinander zu einem Entkopplungselement zu verbinden. Das
erfindungsgemäße Entkopplungselement weist weiterhin
eine Durchgangsöffnung in sämtlichen Blechabschnitten
bzw. Blechlagen auf, die im fertigen Entkopplungselement korrespondierend übereinander
zu liegen kommen, so dass die Gesamtdurchgangsöffnung durch
das Entkopplungselement ein Verbindungsmittel aufnehmen kann. Dies
ist vorteilhafterweise eine Schraube, mittels der das Entkopplungselement
und ein erstes Bauteil an einem zweiten Bauteil befestigt, insbesondere
verschraubt, werden kann.
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Die
Blechabschnitte können die Profilierung auf ihrer gesamten
Fläche aufweisen oder auch nur abschnittsweise. Bei einer
nur abschnittsweisen Profilierung ist es meist bevorzugt, wenn die
Profilierung die Durchgangsöffnung ringförmig
umschließt. Darüber hinaus wird auch der Bereich,
in dem Hülsen oder Klammern den untersten und obersten
Blechabschnitt des Entkopplungselements umgreifen, bevorzugt in
allen Lagen von Profilierungen freigehalten. Die abschnittsweise
Profilierung erfolgt so, dass in allen profilierten Blechlagen im
Wesentlichen der gleich angeordnete Bereich profiliert wird, d.
h. im fertigen Entkopplungselement einerseits unstrukturierte Bereiche übereinander
zu liegen kommen und andererseits auch die profilierten Bereiche
der profilierten Lagen übereinander zu liegen kommen.
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Das
erfindungsgemäße Entkopplungselement eignet sich insbesondere
zur Befestigung von Hitzeabschirmteilen (Hitzeschildern) an im Betrieb heißen
zweiten Bauteilen. Es eignet sich vorteilhaft für die Befestigung
von Bauteilen mit geringer Temperaturbeständigkeit, beispielsweise
mit Leichtmetallkomponenten (Aluminium und dergleichen), oder bestehend
aus derartigen Materialien. Dabei soll insbesondere auf Aluminium-Abschirmteile
verwiesen werden, die gegenüber Stahl-Abschirmteilen eine
reduzierte thermische und mechanische Festigkeit aufweisen.
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Die
Blechabschnitte können in einer beliebigen Anzahl von Lagen
aufeinander aufgebracht werden, wobei sich mit zunehmender Anzahl
von benachbarten Lagen die Entkopplung verbessert.
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Der
oberste und/oder unterste Blechabschnitt, die beispielsweise den
Abschluss zum Schraubenkopf oder zum ersten Bauteil oder den Abschluss
zum zweiten heißen Bauteil hin bilden, können
vorteilhafterweise ohne Profilierung ausgebildet sein. Hierdurch
ist eine flächige Auflage des erfindungsgemäßen
Entkopplungselements am jeweiligen Bauteil bzw. Verbindungselement
möglich. Die einzelnen Lagen können weiterhin über
Blechstege miteinander verbunden sein. Dies ergibt sich beispielsweise
automatisch bei der Herstellung aus einem Endlosband. In diesem
Falle sind die einzelnen Blechabschnitte quasi ziehharmonikaförmig
gefaltet, wobei die Verbindungsstege zwischen den einzelnen Blechabschnitten
ein zusätzliches Federungs- bzw. Entkopplungselement bilden.
Sie ergeben weiterhin einen massiven Verpressungsschutz des erfindungsgemäßen
Entkopplungselements.
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Diese
Verbindungsstege können ihrerseits zur Verringerung der
thermischen und/oder Schwingungsentkopp lung zwischen den einzelnen
Blechabschnitten gegenüber den Blechabschnitten seitlich verjüngt
oder mit einer Ausnehmung, beispielsweise einem länglichen
Schlitz versehen sein. Die Verjüngung oder Schlitzung erleichtert
auch das Umformen in diesem Bereich.
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Als
Material für die Blechabschnitte des Entkopplungselements
sind insbesondere metallische Materialien, vorteilhafterweise Federstahl
oder ein thermisch widerstandsfähiges Metall, beispielsweise ein
temperaturbeständiger Stahl oder auch eine Nickelbasislegierung
möglich.
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Die
einzelnen Blechabschnitte bzw. Blechstege können zumindest
bereichsweise beschichtet sein. Hierfür bieten sich insbesondere
temperaturbeständige Beschichtungen an, wobei insbesondere solche
bevorzugt sind, die die Gleiteigenschaften verbessern.
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Die
Gestaltung der Profilierung richtet sich auch nach der Dicke des
verwendeten Blechs, das durch die Prägung nicht übermäßig
geschwächt werden darf. Die Wellenhöhe, d. h.
die gesamte Auslenkung vom tiefsten Punkt eines Wellentals zum höchsten
Punkt z. B. des benachbarten Wellenberges, sollte im Bereich des
0,2- bis 1,8-fachen, bevorzugt zwischen dem 0,4- und 1 1/3-fachen
der Blechstärke liegen. Auch die Periodenlänge
der Profilierung sollte auf die Blechstärke abgestimmt
sein. Sie wird üblicherweise das 1,2- bis 5-fache, bevorzugt
das 1,5- bis 2,5-fache der Blechstärke betragen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn
der Abstand der Profilierungserhebungen und/oder Profilierungstäler,
die Höhen der Profilierungserhebungen und/oder Profilierungstäler
und/oder ihre Anzahl sich längs der Erstreckungsrichtung
der Profilierung und/oder quer zu der Erstreckungsrichtung der Profilierung ändert.
Hierdurch ist eine Anpassung der Steifigkeit, der thermischen Entkopplung
als auch der Schwingungsentkopplung der durch die Profilierung in
einzelnen Abschnitten in Längsrichtung der Profilierung
oder auch quer zu der Längsrichtung der Profilierung variabel und
kann auf die jeweiligen Anforderungen eingestellt werden. Eine Versteifung
der Profilierung und damit höheren Druckbelastbarkeit des
Entkopplungselements ergibt sich, wenn die Profilierung im Querschnitt
wellenförmig oder trapezförmig ist und die Flanken
der Wellen, d. h. der im Übergang zwischen einem Wellenberg
und einem ihm benachbarten Wellental, eine Verjüngung der
Blechdicke gegenüber dem jeweiligen benachbarten Wellenberg
und/oder Wellental aufweist. Eine Flankenverjüngung um > 10%, vorzugsweise > 15%, vorzugsweise ≥ 20%
ist dabei besonders vorteilhaft.
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Im
Folgenden werden nun einige Beispiele erfindungsgemäßer
Entkopplungselemente und ihrer Anwendungen gegeben. Dabei werden
für gleiche und ähnliche Elemente gleiche und ähnliche
Bezugszeichen verwendet und ihre Beschreibung in späteren
Figuren unter Umständen nicht wiederholt. Bei den folgenden
Beispielen werden verschiedene erfindungswesentliche oder vorteilhafte
Merkmale nicht nur einzeln, sondern auch in Kombination miteinander
dargestellt, wobei sich die Erfindung jedoch immer auch einzelne
dieser Merkmale unabhängig von den zugleich dargestellten
und/oder zugleich verwirklichten Merkmalen bezieht. Hier wie im
gesamten Text wird unter der Aufzählung zweier oder mehrerer Elemente,
z. B. A und B, in der Form „A und/oder B” verstanden,
dass nur eines der Elemente oder auch eine beliebige Kombination
dieser Elemente in beliebiger Anzahl beschrieben und beansprucht
wird.
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Es
zeigen
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1 die
Anordnung eines Entkopplungselementes zwischen einem Hitzeschild
und einem Ansaugkrümmer;
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2 die
Anordnung von Entkopplungselementen an einer einschaligen Zylinderkopfhaube
mittels einer Schraube;
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3 die
Anordnung eines zweiteiligen Entkopplungselementes ober- und unterhalb
eines zweilagigen Hitzeschildes mittels einer Schraube;
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4 und 5 zwei
erfindungsgemäße Entkopplungselemente;
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6 in zwei Teilbildern 6-a und 6-b je
ein Halbzeug eines erfindungsgemäßen Entkopplungselementes
und
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7 und 8 zwei
weitere erfindungsgemäße Entkopplungselemente.
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1 zeigt
ein Hitzeschild 2 als erstes Bauteil, das an einem Abgaskrümmer 3 als
zweitem Bauteil mittels einer Schraube 4 als Verbindungsmittel angeordnet
ist. Die Schraube 4 umgebend zwischen dem Hitzeschild 2 und
dem Abgaskrümmer 3 ist ein erfindungsgemäßes
Entkopplungselement 1 angeordnet. Dieses weist drei Blechlagen 10a, 10b und 10c auf,
die hier im Querschnitt dargestellt sind. Sämtliche Lagen 10a, 10b und 10c sind
Blechabschnitte, die eine hier nicht dargestellte Durchgangsöffnung
aufweisen, durch die die Schraube 4 hindurchgeht. Im dargestellten
Beispiel ist zwischen dem breiten Schraubenkopf 4a und
dem Hitzeschild 2 kein weiteres Bauteil angeordnet.
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Die
Lage 10a ist nun mit einer trapezförmigen Profilierung 11a versehen,
deren Berge und Täler sich senkrecht zur Zeichnungsebene
der 1 erstrecken. Die Lage 10c weist eine
gleiche Profilierung auf, die ebenfalls in gleicher Orientierung
wie die Profilierung 11a in der Lage 10a angeordnet
ist. Zwischen diesen beiden Lagen 10a und 10c befindet sich
als weitere Lage ein Blechabschnitt 10b, der eine im Querschnitt
gleich ausgestaltete Profilierung 11b aufweist wie die
Lagen 10a und 10c. Diese Profilierung ist nun
jedoch senkrecht zu den Profilierungen 11a und 11c in
den Lagen 10a und 10c angeordnet. Die Wellenberge
und Wellentäler erstrecken sich in dieser Lage 10b nicht
senkrecht zur Zeichnungsebene, sondern in der Zeichnungsebene. In 1 ist daher
für die Blechlage 10b sowohl ein Wellenberg als
auch ein Wellental übereinander eingezeichnet. 1 ist
daher kein Querschnitt, sondern ein Schnitt durch die Gesamtanordnung
in Aufsicht.
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Die 2 zeigt
in vergleichbarer Weise wie 1 eine Ventilhaube 2',
die einschalig ist. In diesem Falle ist nicht nur unterhalb der
Ventilhaube 2' ein Entkopplungselement 1a angeordnet,
sondern auch oberhalb der Ventilhaube 2' ein Entkopplungselement 1b angeordnet.
Die Entkopplungselemente 1a und 1b sind wie das
Entkopplungselement 1 in 1 ausgebildet.
Durch die in 2 dargestellte Anordnung wird
nun nicht nur die Ventilhaube 2' als erstes Bauteil gegenüber
den unterhalb des Entkopplungselements 1 angeordneten und
hier nicht dargestellten Bauteilen schwingungstechnisch und bezüglich
des Wärmeübergangs entkoppelt, sondern auch der
Schraubenkopf 4a der Schraube 4 gegenüber
der Ventilhaube 2', der Schraubenkopf 4a ist hier nun
mit einem wesentlich geringeren Durchmesser ausgebildet als im Beispiel
der 1. Eine vergleichbare Anordnung wäre
auch für einen Hitzeschild möglich.
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3 zeigt
eine weitere Ausbildung ähnlich wie in 2,
allerdings ist hier nun ein zweilagiges Hitzeschild 2 abgebildet.
Die weitere Anordnung ist dieselbe wie in 2.
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In 2 und 3 kann
das Entkopplungselement 1a und das Entkopplungselement 1b auch gemeinsam
als ein einziges Entkopplungselement betrachtet werden.
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Die 4 zeigt
ein weiteres Entkopplungselement 1, bei dem nunmehr auch
die Durchgangsöffnung 15 für das Verbindungsmittel
zeichnerisch dargestellt ist. Auf eine Darstellung der Profilierung
an der Innenkante der Durchgangsöffnung 15 wurde hier
wie im Folgenden verzichtet.
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Auch
dieses Entkopplungselement 1 weist drei Lagen mit Blechabschnitten 10a, 10b und 10c auf.
Die Anordnung der Profilierung ist so wie in 1, da die
Profilierung 11a und die Profilierung 11c sich
senkrecht zu der in der Zeichnung nicht ersichtlichen Profilierung
der Lage 10b erstrecken.
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In 4 sind
die einzelnen Blechlagen bzw. Blechabschnitte 10a, 10b und 10c mittels
zweier Verbin dungsabschnitte 12a und 12b miteinander
verbunden. Bei der Fertigung lässt sich ein derartiges Entkopplungselement
aus einem entsprechend geprägten metallischen Endlosband
durch Umfalzen herstellen.
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5 zeigt
ein weiteres Entkopplungselement 1, das in gleicher Weise
wie das Entkopplungselement in 4 aufgebaut
ist. In diesem Falle sind jedoch die einzelnen Blechabschnitte 10a, 10b und 10c nicht
Teil einer durchgängigen metallischen Lage, sondern einzelne
Blechabschnitte. Diese sind miteinander über Klammern bzw.
Hülsen 14a, 14b miteinander verbunden,
die jeweils die oberste Blechlage 10c und die unterste
Blechlage 10a umgreifen.
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6 zeigt in zwei Teilbildern 6-a und 6-b Halbzeuge
zur Fertigung erfindungsgemäßer Entkopplungselemente. 6 zeigt jeweils ein Endlosband bzw. einen
Blechstreifen 5, der in einzelnen Abschnitten mit unterschiedlich
orientierten Profilierungen 11a bis 11e versehen
ist. Die Profilierungen 11a bis 11e entsprechen
dabei in ihrer Struktur den Profilierungen, die für die
einzelnen Blechabschnitte in 1 dargestellt
sind. Die Profilierungen verlaufen in den einzelnen Abschnitten 10a bis 11e des
Blechstreifens 5, die die späteren Blechabschnitte 10a bis 10e im
fertigen Entkopplungselement bilden sollen, senkrecht zueinander.
Dabei weist die Ausführungsform der 6-a in
jedem der Abschnitte 10a bis 10e jeweils vollflächig
eine Profilierung 11a bis 11e auf. In 6-b dagegen ist nur ein ringförmiger
Bereich, der sich unmittelbar an die Durchgangsöffnungen 15a–f
anschließt, profiliert, während der Randbereich 16a–f
jeweils unstrukturiert bleibt. Der unstrukturierte Bereich ist mit
schräger Schraffur gekennzeichnet. In die einzelnen Abschnitte 10a bis 10e sind
Durchgangs öffnungen 15a bis 15e eingebracht,
die im fertigen Entkopplungselement durch ziehharmonikaförmiges
Falten der einzelnen Blechabschnitte übereinander zu liegen
kommen.
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In
dem Blechstreifen 5 sind Übergangsbereiche 12a bis 12f ausgebildet,
die jeweils einen Verbindungssteg zwischen benachbarten Abschnitten 10a bis 10e bilden.
In diese sind zusätzlich Ausnehmungen 13a bis 13f eingebracht,
so dass die einzelnen Blechabschnitte 10a bis 10e lediglich über
dünne seitliche Stege miteinander verbunden sind. Während
in der Ausführungsform der 6-a jeweils
ein einzelner ausgenommener Bereich 13a–f vorhanden ist,
weist die der 6-b jeweils zwei Ausnehmungen
pro Verbindungsabschnitt 12 auf, z. B. 13d u. 13d'.
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Der
Blechstreifen 5 ist nunmehr nach Prägung und Stanzung
Ausgangsmaterial für die Herstellung der erfindungsgemäßen
Entkopplungselemente. Hierzu wird aus dem endlosen Blechstreifen 5 ein
Abschnitt abgetrennt, der so viele profilierte Abschnitte 10a bis 10e aufweist,
wie das Entkopplungselement im fertigen Zustand Lagen aufweisen
soll. Daraufhin werden die einzelnen Blechabschnitte, beispielsweise
für ein fünflagiges Entkopplungselement, 10a bis 10e ziehharmonikaförmig übereinander
gefaltet. Sie sind dann jeweils über dünne Stege an
den Umlenkstellen miteinander verbunden. Diese Verbindungsstege
geben den einzelnen Abschnitten im fertigen Entkopplungselement
Halt, ohne jedoch einen zu großen Wärmeübergang
oder Schwingungsübertragung zu ermöglichen.
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7 zeigt
nun den Aufbau eines derartigen fünflagigen Entkopplungselements
mit Blechabschnitten 10a bis 10e. Da hier der
Schnitt von beiden Seiten zu er kennen ist, ist nunmehr die Profilierung 11a, 11c und 11e in
den Abschnitten 10a, 10c und 10e zu erkennen,
die in gleiche Richtung verlaufen. Es sind nunmehr auch die Profilierungen 11b und 11d zu
erkennen, die in den Blechabschnitten 10b und 10d parallel
zueinander in der Zeichnungsebene verlaufen.
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8 zeigt
ein weiteres dreilagiges Entkopplungselement, wie es auch bereits
in 1 dargestellt ist. Dieses ist nunmehr von zwei
Seiten in Schnittansicht dargestellt, wobei nunmehr auch die Schraubendurchgangsöffnung 15 zu
erkennen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005024864
A1 [0002]