УСИЛИВАЮЩИЙ РЕЛЬЕФ ДЛЯ УСТАНОВКИ
STRENGTHENING EMBOSSMENT FOR MOUNTING

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к оптимизации усталостных свойств конструкционных отверстий в теплозащитных экранирующих деталях для применений в автомобильной промышленности, в частности, в области установки теплозащитных экранов, например в области отсека двигателя, в области днища кузова или вдоль деталей силовой передачи.
Уровень техники
[0002] Теплозащитные экраны используются в различных видах для звуко- и теплоизоляции, в то же время принимая во внимание широкий диапазон условий установки и эксплуатации, например, в области отсека двигателя или на днище автомобиля вдоль выхлопной линии. Прежде всего, экраны используются для защиты чувствительных к температуре составных частей и систем для того, чтобы предотвратить перегрев, например, обусловленный теплом, излучаемым и вырабатываемым двигателем и/или выхлопной системой.
[0003] Для таких теплозащитных экранов известен широкий ряд конструкций, например, выполненных из одного слоя, или многослойные корпуса, которые могут быть изготовлены из различных материалов. За счет высокой тепловой нагрузки основными материалами, используемыми сегодня, являются металлы на основе, например, стали, алюминия или сплавы.
[0004] В классическом варианте теплозащитные экраны изготавливают из металлического листового материала, главным образом, стали, сплавов или алюминия, причем материал используется для опорного листа, обшивочного листа, а также для функции изоляции. Во многих случаях основная область теплозащитного листа выполнена рельефной для увеличения истинной жесткости детали. Рельеф на листовом металлическом материале может быть выполнен с использованием роликов в ходе непрерывного процесса, посредством процесса листовой штамповки или посредством метода чеканки штампом. Для увеличения эффективности теплозащитного экрана и для того, чтобы сократить пространство, необходимое для экрана, металлический лист или пакет листов может быть выполнен профильным, чтобы точно повторять форму внешней поверхности, например, выпускного трубопровода.
[0005] Большая часть известных моделей пространственных конструкций, используемых сегодня в качестве рельефных поверхностей, выполнена из повторяемой единичной формы или топографического элемента, такого как гребень или выпуклость. В US 6966402 описана модель с множеством лунок, выполненных геометрической формы, выбранной из группы, состоящей из: сферической формы, пирамидальной формы, конической формы или трапециевидной формы, при этом лунки распределены в смещенных или равномерных рядах и колоннах или в бессистемном расположении. В ЕР 0439046 А описана пространственная модель в форме рисунка алмазной решетки, которая позволяет при необходимости растягивать и сжимать лист. Описано также использование складок и углублений, например, множества сгибов или гребней, таких как в форме гофр. В US 6821607 описано использование возвышенностей, имеющих конструкцию задрапированного или сложенного типа, которая увеличивает сопротивление сжатию для отдельных возвышенностей и поэтому увеличивает прочность на изгиб всего листового материала. В WO 2010/112354 показан пример такого оптимизированного рельефа, имеющего множество углублений или рельефных поверхностей, причем все рельефные поверхности выступают в том же направлении, что и направление нормали к поверхности плоского листового материала, определяемой как плоскость n нейтрали, по существу с тем же самым расстоянием h от этой плоскости нейтрали, и за счет этого множество рельефных поверхностей вместе образуют правильную сеть, при этом по существу каждая рельефная поверхность пересекается по меньшей мере с двумя другими рельефными поверхностями с образованием места соединения.
[0006] Для того чтобы установить теплозащитный экран вокруг источника тепла, обычно используют для крепления такие стандартные средства, как болты и гайки или зажим обычно в сочетании с шайбами или регулировочными прокладками. Используя такие типы способов крепления, теплозащитный экран жестко закрепляют на транспортном средстве. Во время использования теплозащитного экрана - когда транспортное средство едет и/или транспортное средство катится - теплозащитный экран может вибрировать зависящим от частоты образом, например, относящимся к скорости двигателя, поверхности дороги, по которой едет транспортное средство, механической реакции системы подвески транспортного средства и т.д. Эти вибрации могут создавать механические нагрузки в области крепления, включая большие изгибающие моменты в материале поблизости от области крепежного соединения. В течение срока службы транспортного средства эти повторяющиеся вибрации, при разных амплитудах и частотах, могут вызывать распространение трещин и их рост в теплозащитном материале, в конце концов, приводя к большим трещинам или к выходу из строя материала в областях соединений, этот процесс определяет усталостную долговечность или ресурс прочности теплозащитного экрана.
[0007] Усталостная нагрузка является процессом или явлением повторяющихся циклических нагрузок, создаваемых на материале или конструкции и вызывающих напряжения или натяжения, которые меньше квазистатических пределов для выхода материала из строя. В конструкциях из листового металла, таких как теплозащитные экраны, вызываемые усталостью трещины, будут начинаться обычно на поверхности материала и затем распространяться вдоль части поверхности, а также в толщину листового материала. Развитие и распространение трещин начинается в напряженных областях, существующих из-за деформации материала, которая обусловлена вибрационной нагрузкой. Исходные поверхностные трещины трудно определить визуально, но они будут приводить к уменьшению жесткости материала и сокращению реакции теплозащитного экрана на вибрационное воздействие. На выход из строя может влиять множество факторов, включая размер, форму и конструкцию составного элемента, или состояние поверхности, или среду эксплуатации.
[0008] Следовательно, в соединениях нужно учитывать закрепленность и устойчивость, необходимые для каждого теплозащитного экрана, а также колебания, действующие на место установки, для того, чтобы предотвратить повреждение теплозащитного экрана и/или нежелательное отсоединение крепежных средств.
[0009] На практике в области вокруг таких конструкционных отверстий для установки теплозащитного экрана, а также для проведения и подсоединения датчиков или кабелей рельеф обычно отсутствует или устранен для получения плоской области, чтобы увеличить контакт между средством для крепления и теплозащитным экраном, усиливая посредством этого общую функцию крепления. Обычно область соединения будет выполнена рельефной, подобной остальной части теплозащитного экрана, но во время части формирования область соединения будет прижата посредством плоских параллельных пластин и выровнена, сдавливая рельефную топографию до почти плоской или совсем плоской. При использовании материалов и конструкции теплозащитных экранов вращающий момент затяжки винтов не может быть задан слишком большим для того, чтобы предотвратить повреждение теплозащитного экрана.
[0010] Простые и эффективные с точки зрения затрат решения, в которых используются винты с дисковыми кольцами или пружинными упорными кольцами (также известными как регулировочные прокладки или шайбы), также имеют ограничения, поскольку они позволяют только сократить поверхностное давление под зоной болта, но не влияют на область перехода от шайбы к области соединения, которая часто является точкой зарождения трещины и ее распространения за счет изгибания, вызываемого вибрационной нагрузкой. К тому же использование нескольких несоединенных отдельных деталей для крепления теплозащитных экранов естественным образом увеличивает усилие сборки и производственные затраты.
[0011] В автомобильном производстве существует значительная потребность в легковесной конструкции с использованием составных элементов из листового металла. Использование более тонких листов является главным в достижении снижения веса теплозащитных экранов. Однако при уменьшении толщины детали уменьшается жесткость детали, а подверженность вызываемым вибрацией напряжениям будет увеличивать риск усталостного выхода из строя. Подверженность усталостным трещинам будет наиболее критичным моментом в областях, где материал изгибается по конфигурациям большого удлинения или где выполнены сквозные отверстия для установки теплозащитного экрана на месте.
Раскрытие изобретения
[0012] Задачей изобретения является увеличение срока службы теплозащитных экранов в области конструкционных сквозных отверстий, в частности в установочной области, таким образом, чтобы можно было использовать эффективные с точки зрения затрат и простые крепежные средства и в то же время чтобы можно было уменьшить по весу толщину металла для теплозащитных экранов, обеспечивая такой же общий срок службы при вибрационном и тепловом тестировании.
[0013] Эта задача решается согласно изобретению посредством теплозащитного экрана, изготовленного из листа металла по меньшей мере с одним установочным отверстием, который имеет признаки по п.1 формулы изобретения: рельефный рисунок, содержащий множество выступающих удлиненных элементов, продолжающихся или расходящихся лучами, главным образом перпендикулярными к периметру отверстия. В частности, имея усиливающий рельеф в рисунке, как оговорено в формуле изобретения, можно повысить устойчивость установочной области и в то же самое время сократить зарождение трещин и их распространение вокруг установочной области в течение более длительного срока использования. Было обнаружено, что сокращается не только зарождение трещин и их распространение, но также и то, что снижается вероятность возникновения нежелательного отсоединения.
[0014] Рельеф вокруг отверстия согласно настоящему изобретению содержит рисунок из удлиненных выступов, что повышает жесткость установочной области при изгибе и вращении. Эта повышенная жесткость установочной области сокращает изгиб на поверхности контакта с крепежными средствами, например, шайбой или регулировочной прокладкой (откуда обычно распространяются трещины). Рельефный рисунок, покрытый крепежными средствами после установки теплозащитного экрана на месте его использования, может быть придавлен крепежными средствами с использованием заданного инструмента для вращения или штамповочного инструмента, приводя в результате к пластифицированной области под крепежным средством с повышенным сопротивлением к распространению трещин.
[0015] Усиливающий рельеф выполнен вокруг конструкционных отверстий, в частности, для установки теплозащитного экрана или для проведения и, в конечном счете, установки датчиков, кабелей или других приспособлений. Отверстие может быть круглым или иметь альтернативную форму, чтобы соответствовать требуемой функции. Рельеф согласно настоящему изобретению может быть оптимизирован, чтобы уравновесить локальную разницу при механической нагрузке. Выбранная удлиненная форма для элементов влияет на рост трещин путем прерывания линий естественного напряжения детали.
[0016] Усиливающий рельеф вокруг по меньшей мере одного такого отверстия в металлическом листе содержит множество расходящихся лучами элементов, выступающих наружу по меньшей мере с одной стороны плоскости листового материала и имеющих удлиненную форму с длиной l и шириной w, а также максимальной высотой h выступа. Удлиненные выступающие элементы расходятся лучами или продолжаются от периметра материала вокруг отверстия, при этом центр отверстия выступает в качестве центральной точки кольцевой группы выступов. В том случае, если отверстие имеет альтернативную форму, продолжение будет главным образом перпендикулярным к периметру отверстия, сохраняя альтернативную форму в качестве точки отсчета. Например, в том случае, если отверстие является овальным, выступы будут расходиться лучами скорее в овальном рисунке, нежели в круглом.
[0017] По существу перпендикулярное удлинение может быть также определено как продолжение по существу нормали к касательной к периметру отверстия. Предпочтительно удлиненные элементы продолжаются перпендикулярно, под углом 90° к периметру обода, однако возможно также смещение перпендикулярного угла приблизительно между -45° и +45° и зависит от фактической формы отдельных выступов.
[0018] Предпочтительно задняя поверхность рельефа содержит обратный рисунок выступов. Это, в частности, видно, если использовать метод матриц и пуансонов. Поскольку средство для установки может быть расположено с обеих сторон сквозного отверстия, является предпочтительным, чтобы рельефный рисунок был равномерно уравновешен в выступах с обеих сторон листового материала. В частности, чтобы получить согласующееся сплющивание с обеих сторон материала, например, при креплении установочной арматуры с использованием заданного крутящего момента.
[0019] Предпочтительно элементы в направлении удлинения являются прямыми, закругленными, спиралевидными, в S-образной форме или в S-образной форме с углами, а также комбинацией этих форм. Для усиления крепления и контакта между листовым материалом и средствами установки элементы предпочтительно имеют увеличивающуюся толщину либо в направлении центра отверстия, либо в направлении от центра отверстия. В дополнение элементы могут иметь увеличивающуюся высоту либо в направлении к центру отверстия, либо в направлении от центра отверстия. Фактическая форма выступающих элементов зависит от вибрационной нагрузки в интересующей области.
[0020] Расходящиеся лучами удлиненные элементы предпочтительно начинаются непосредственно на краю листового материала у сквозного отверстия. Элементы могут быть близки к соприкосновению с соседними элементами, непосредственно вокруг отверстия. Гребень элемента может быть закругленным или иметь острую кромку, за счет чего выступ образует форму дуги.
[0021] Вокруг по меньшей мере одного отверстия расположено предпочтительно по меньшей мере от 5 до 10 элементов, предпочтительно 6-8 элементов. Элементы расположены в кольцевой группе, вокруг центра отверстия, так что они распределены равномерно вдоль периметра отверстия. Предпочтительно распределение удлиненных элементов продолжается в отчетливо кольцевой группе, симметричным рисунком вокруг отверстия, чтобы получить подобную жесткость во всех направлениях, параллельных исходной плоскости листового материала в направлении центра отверстия. Однако длина единичных элементов, образующих усиливающую рельефную поверхность вокруг отверстия, может быть различной, например, чтобы компенсировать несбалансированное распределение нагрузки вокруг отверстия.
[0022] Теплозащитный экран со средством для крепления теплозащитного экрана к месту использования содержит по меньшей мере одно отверстие для установки теплозащитного экрана с использованием средства для крепления, за счет чего предпочтительно диаметр группы рельефных поверхностей по меньшей мере в два раза больше диаметра средства для крепления. Поэтому обод шайбы, регулировочной прокладки или гайки, используемых для крепления, заканчивается в области рельефа согласно настоящему изобретению. Кроме того, крутящий момент, используемый для затягивания средства установки, может быть достаточным, чтобы выровнять область, покрытую установочным средством, увеличивая таким образом область контакта, следовательно, и закрепляя, и в то же самое время уменьшая возможность зарождения и распространения трещин.
[0023] В альтернативном варианте рельефный рисунок по меньшей мере частично сплющивают снова, чтобы увеличить возможную область контакта со средством для крепления и облегчить установку теплозащитного экрана на месте его использования. Область, которая подлежит покрытию средством для крепления, по меньшей мере частично может быть выровнена или на ней может быть устранен рельеф снова перед установкой теплозащитного экрана.
Краткое описание чертежей
[0024] Эти и другие характеристики изобретения будут ясны из нижеследующего описания предпочтительных форм, приведенных в качестве не носящих ограничительного характера примеров, со ссылками на приложенные чертежи. Чертежи являются только схематичными и не приведены в масштабе.
[0025] Фиг.1 представляет собой типичный пример теплозащитного экрана с установочными отверстиями.
[0026] Фиг.2А представляет собой рельефную поверхность согласно настоящему изобретению на виде сверху.
[0027] Фиг.2В представляет размер элемента рельефа по фиг.2А.
[0028] Фиг.2С - пространственное изображение рельефа по фиг.2А.
[0029] Фиг.3А - вид сверху альтернативного рельефа согласно настоящему изобретению.
[0030] На фиг.3В представлен размер элемента рельефа по фиг.3А.
[0031] На фиг.3С показано пространственное изображение рельефа по фиг.3А.
[0032] Фиг.4А - вид сверху альтернативного рельефа согласно настоящему изобретению.
[0033] Фиг.4В - единичный элемент рельефа по фиг.4А.
[0034] Фиг.5А - вид сверху альтернативного рельефа согласно настоящему изобретению.
[0035] На фиг.5В1 и В2 представлены альтернативные варианты для поперечного сечения отдельных элементов рельефа.
[0036] На фиг.6-9 представлены альтернативные рельефные рисунки согласно настоящему изобретению.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
[0037] На фиг.1 показан пример теплозащитного экрана с отверстием для установки согласно предшествующему уровню техники. Область установки расположена в отдельных плоских областях без рельефа.
[0038] На фиг.2А-В показана простейшая форма рельефа согласно настоящему изобретению с элементами (3) типа стержней, которые продолжаются радиально вокруг круглого отверстия (2) с центром (1). Общий диаметр (d) больше, чем выделенная область (5), которая подлежит покрытию средством крепления, например, регулировочной прокладкой или шайбой или непосредственно болтом или гайкой. Предпочтительно область покрытия составляет по меньшей мере половину всей площади рельефа вокруг отверстия. Гребни элементов показаны пунктирными линиями (4). На гребне высота (h) рельефа является максимальной. Это также показано на фиг.2В, в частности, в поперечном сечении I-II. Элементы имеют длину (l) и ширину (w). На фиг.2С показано пространственное изображение листа материала (6), предпочтительно металла типа стали, алюминия или другого пригодного металлического сплава с отверстием, и пример рельефа согласно настоящему изобретению вокруг этого отверстия (2) с множеством отдельных элементов (3) с гребнем (4). Область между рельефными элементами (7) будет образовывать обратный рисунок, предпочтительно также выступающий на противоположной стороне листа.
[0039] На фиг.3А-С показан альтернативный рельеф с множеством элементов в закругленной, S-образной удлиненной форме. Описание ссылочных позиций совпадает с фиг.2А-С.
[0040] На фиг.4А-В показан альтернативный рельеф с удлиненной формой с углами. Это пример, когда рельефный элемент расположен под углом относительно касательной к периметру отверстия.
[0041] На фиг.5А-В показан другой альтернативный рельеф с множеством выступающих элементов конусообразной удлиненной формы. На фиг.5В1 и В2 приведены альтернативные поперечные сечения по длине элементов. На В1 элементы уменьшаются по высоте от h1 к h2 по длине элемента, тогда как на В2 высота остается по существу постоянной. Эти изменения по высоте могут быть также использованы в альтернативных формах элемента, например, согласно фиг.2, 3 или 4.
[0042] Независимая от рельефа вокруг конструкционных отверстий основная площадь теплозащитного экрана может быть выполнена рельефной с похожим или различным рисунком, чтобы повысить общую жесткость и срок службы теплозащитного экрана. Например, это может быть использовано с теплозащитным экраном без рельефа или с рельефной поверхностью, как описано в WO 2010/112354. Рельеф может быть нанесен на один слой материала или непосредственно на многочисленные слои материалов, уложенных вместе пакетом.
[0043] В альтернативном варианте согласно фиг.6 между основными элементами (9) рельефных поверхностей согласно настоящему изобретению, например, согласно фиг.1А, дополнительные удлиненные выступающие элементы (10) расположены между основными элементами. Эти элементы также продолжаются перпендикулярно к периметру отверстия. Однако они не начинаются непосредственно на краю материала, а немного перед концом покрытия крепежным элементом. Маленькая длина элемента будет покрыта крепежным элементом, например, шайбой или регулировочной прокладкой, посредством чего дополнительно повышая жесткость области, непосредственно окружающей крепежное средство.
[0044] В другом альтернативном варианте, согласно фиг.7-9, дополнительные третьи удлиненные выступающие элементы (11) расположены между основными (9) и/или дополнительными перпендикулярными выступающими элементами (10). Однако эти элементы не продолжаются перпендикулярно к периметру отверстия, вместо этого они направлены к смежным основным или дополнительным элементам и соединяют их. Любой один элемент (12) соединяет два перпендикулярных основных элемента (фиг.7).
[0045] Или предпочтительно два таких третьих элемента расположены между двумя перпендикулярными основными элементами и соединяют их, посредством чего два перпендикулярных третьих элемента образуют колено с углом примерно от 55° до 35°, предпочтительно около 45° с внутренней стороной изгиба (12), обращенного к центру конструкционного установочного отверстия (2) (фиг.8).
[0046] Применение всех трех выступающих элементов может быть использовано в любом сочетании в зависимости от требований местной нагрузки на конструкционное отверстие или соединение, также как в зависимости от применяемого соединительного материала, размера и формы возможных регулировочных прокладок, колец и/или болтов. На этих фигурах показаны только примеры возможных сочетаний и основные группы выступов, но они не являются исчерпывающими по числу сочетаний, их может быть больше, чем показано в настоящем описании. Рисунок может быть асимметричным или симметричным также в зависимости от фактических требований по применению.
[0047] На фиг.9 показано сочетание элементов согласно настоящему изобретению:
- основные перпендикулярные выступающие элементы (9),
- дополнительные перпендикулярные выступающие элементы (10) и
- третьи перпендикулярные выступающие соединительные элементы (12).
[0048] В случае применения подобных местных усиливающих рельефных поверхностей, чтобы противодействовать местным стрессовым нагрузкам, можно использовать меньше материала на основной области изделия, вследствие этого уменьшая вес и сокращая затраты на материал. К тому же, может быть увеличена долговечность детали. Комбинируя все три группы элементов, может быть придано больше устойчивости используемым регулировочной прокладке, шайбе или гайке при креплении и при использовании.