DE102013007700A1

DE102013007700A1 - Verbundplatte

Info

Publication number: DE102013007700A1
Application number: DE102013007700.1A
Authority: DE
Inventors: Hartmut BAUMGART; Ronald Sanders
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-05-04
Filing date: 2013-05-04
Publication date: 2014-11-06
Also published as: CN104129118A; US20140356583A1

Abstract

Eine Verbundplatte, insbesondere zur Verwendung im Kraftfahrzeugbau, umfasst ein erstes Blech (2), ein zweites Blech (1) und eine zwischen den Blechen angeordnete Verbindungsschicht (3). Das erste Blech (2) besteht aus einem ersten Metallwerkstoff und das zweite Blech (1) aus einem von dem ersten Metallwerkstoff verschiedenen zweiten Metallwerkstoff. Das zweite Blech weist zwischen zum ersten Blech (2) eng benachbarten und durch die Verbindungsschicht (3) am ersten Blech (2) befestigten Bereichen (14) jeweils vom ersten Blech weiter beabstandete Bereiche (10) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundplatte, die insbesondere zur Verwendung im Kraftfahrzeugbau geeignet ist.
Eine solche Verbundplatte ist z. B. aus DE 19839931 A1 bekannt. Diese herkömmliche Verbundplatte umfasst dünne erste und zweite Bleche sowie eine zwischen den Blechen angeordnete Verbindungsschicht in Form eines Draht- oder Streckmetallgitters. Erstes und zweites Blech sind zusammengehalten durch einen geschäumten Klebstoff, der auch Hohlräume des Gitters ausfüllt.
Um das Gewicht der Kraftfahrzeuge zu reduzieren und dadurch ihren Kraftstoffverbrauch zu verringern, ist man bestrebt, Kraftfahrzeugkarosserien wenigstens teilweise aus Leichtmetallen zu fertigen. Dabei können zwischen dem Leichtmetall und Komponenten, die aus Stabilitätsgründen aus Stahl bestehen müssen, galvanische Elemente entstehen, die zu Kontaktkorrosion führen und daher vermieden werden müssen. Eine Verbundplatte, bei der eine erste Oberfläche aus einem ersten Metallwerkstoff und eine zweite Oberfläche aus einem zweiten Metallwerkstoff besteht und bei der diese Metallwerkstoffe zuverlässig voneinander galvanisch getrennt sind, könnte die Verwendung unterschiedlicher Metalle in einem Fahrzeug erleichtern, indem an der ersten Oberfläche einer solchen Verbundplatte Teile des Fahrzeugs befestigt werden, die aus dem ersten Metallwerkstoff oder mit diesem ersten Metallwerkstoff elektrochemisch kompatiblen Materialien bestehen, wohingegen Teile, die aus dem zweiten Metallwerkstoff oder einem damit elektrochemisch kompatiblen Werkstoff bestehen, an der zweiten Oberfläche befestigt werden.
Für eine solche Verwendung ist die oben erwähnte herkömmliche Verbundplatte jedoch ungeeignet, denn wenn bei dieser unterschiedliche, nicht miteinander elektrochemisch kompatible Metallwerkstoffe beim ersten und zweiten Blech zum Einsatz kämen, bestünde spätestens nach einem Verformen der Verbundplatte ein galvanischer Kontakt zwischen erstem und zweitem Blech über das dazwischen liegende Gitter, der zu Kontaktkorrosion führen würde.
Die im Allgemeinen unterschiedlichen thermischen Ausführungskoeffizienten der verschiedenen Metallwerkstoffe können bei der herkömmlichen Verbundplatte zu Scherbeanspruchungen der Kleberschicht führen. Wenn der Kleber fest genug ist, um die Bleche starr zu verbinden, dann neigt die Verbundplatte bei Temperaturschwankungen zum Verziehen. Wenn hingegen der Kleber sich unter der Scherbeanspruchung verformen kann, kann es auf Dauer zu Ermüdung des Klebers kommen, so dass sich die Bleche der Verbundplatte voneinander lösen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Verbundplatte zu schaffen, deren Bleche dauerhaft fest zusammenhalten und die bei Temperaturschwankungen nicht verzugsgefährdet ist, auch wenn die Bleche aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen bestehen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Verbundplatte mit einem wenigstens lokal ebenen ersten Blech, einem zweiten Blech und einer zwischen den Blechen angeordneten Verbindungsschicht, bei der das erste Blech aus einem ersten Metallwerkstoff und das zweite Blech aus einem von dem ersten Metallwerkstoff verschiedenen Metallwerkstoff besteht und das zweite Blech zwischen zum ersten Blech eng benachbarten und durch die Verbindungsschicht am ersten Blech befestigten Bereichen jeweils vom ersten Blech weiter beabstandete Bereiche aufweist.
Die Nichtebenheit des zweiten Blechs ermöglicht es diesem, in Oberflächenrichtung der Verbundplatte wirkenden Kräften, insbesondere thermischen Spannungen, durch lokale Verbiegung seiner Unebenheiten nachzugeben. Somit können die Spannungen, die zwischen den zwei Blechen auftreten, in Grenzen gehalten werden, und auch die Beanspruchung der Verbindungsschicht durch thermische Spannungen ist gering. Daher besteht weder die Gefahr, dass sich die Verbundplatte bei Temperaturschwankungen verzieht, noch ist mit Materialermündung in der Verbindungsschicht zu rechnen.
Um die Gefahr von Kontaktkorrosion auszuschließen, sollte die Verbindungsschicht galvanisch isolierend sein.
Die vom ersten Blech beabstandeten Bereiche des zweiten Blechs sind vorzugsweise als sich zwischen den benachbarten Bereichen erstreckende Rippen ausgebildet.
Die benachbarten Bereiche können durch die Verbindungsschicht am ersten Blech vollflächig verklebt sein. Die Rippen können, indem sie weiter oder enger werden, unterschiedlichen Ausdehnungsraten des ersten und des zweiten Metallwerkstoffs bei Temperaturschwankungen nachgeben.
Der vom ersten Blech abgewandten Rippe sollte an der dem ersten Blech zugewandten Seite des zweiten Blechs eine Vertiefung gegenüberliegen. Um ein Nachgeben der Rippe bei thermischen Spannungen zu erleichtern, sollte die Vertiefung wenigstens teilweise frei von der Verbindungsschicht sein.
Die Rippe kann Teil eines sich über die Fläche des zweiten Blechs hinweg periodisch wiederholenden Musters sein. Ein solches Muster kann durch Prägen mit Hilfe von Walzen, zwischen denen das zweite Blech hindurchgeführt wird, in einfacher Weise erzeugt werden.
Das Muster ist vorzugweise zweidimensional periodisch, um ein Nachgeben gegenüber thermischen Spannungen in jeder Richtung zu ermöglichen.
Eine Symmetrie des Rippenmusters erleichtert die Platzierung der Verbundplatte an einem Formwerkzeug mit zu den Rippen komplementären Aussparungen, denn je höher die Symmetrie des Musters ist, desto zahlreicher sind die Orientierungen, in denen die Verbundplatte so am Formwerkzeug platziert werden kann, dass deren Rippen in die Aussparungen des Formwerkzeugs eingreifen.
Zur Begrenzung der Spannungen ist es ferner zweckmäßig, wenn die benachbarten Bereiche des zweiten Blechs ringsum von Rippen begrenzt sind.
Eine solche Begrenzung der benachbarten Bereiche kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das Muster ein Parallelogrammmuster ist, d. h. dass die Rippen sich in zwei verschiedenen Richtungen über die Fläche des zweiten Blechs erstrecken und dabei einander kreuzen.
Um eine hohe Biegesteifigkeit der Verbundplatte zu erzielen, ist als Muster ein Wabenmuster bevorzugt. Bei einem solchen Muster treffen jeweils drei Rippen an einem Punkt aus verschiedenen Richtungen aufeinander, und es gibt keine Rippen, die sich durchgehend über große Entfernungen auf dem zweiten Blech erstrecken.
Da die Verbindungsschicht keinen starken thermischen Verzug zwischen den Blechen ausgleichen muss, kann sie dünner als die der herkömmlichen Verbundplatte sein. Um die Bleche sicher und dauerhaft aneinander zu verkleben, ist eine Verbindungsschicht bevorzugt, die dünner als die Bleche selber ist.
Das Metall des zweiten Blechs weist vorzugsweise eine geringere Festigkeit auf als das des ersten Blechs. Dies erleichtert zum einen das Prägen der Unebenheiten, zum anderen aber auch die zum Ausgleichen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten erforderliche Verformung der beabstandeten Bereiche bzw. Rippen. Außerdem bewirken die Rippen selber eine wünschenswerte Versteifung des zweiten Blechs.
In der Praxis ist das erste Blech vorzugsweise ein Stahlblech und das zweite ein Leichtmetallblech, insbesondere ein Aluminium- oder Magnesiumblech.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs, das aus einer Verbundplatte wie oben beschrieben gefertigt ist. Ein solches Bauteil kann insbesondere eine Stirnwand oder ein Getriebedeckel sein. Wenn an einem solchen Bauteil Rippen des zweiten Blechs freiliegen, erleichtern sie die Abgabe von Abwärme, z. B. aus Getriebeöl des von dem Deckel verschlossenen Getriebes. Die Verbindungsschicht kann Schwingungen der beiden Bleche dämpfen, was insbesondere bei einer sich zwischen Motorraum und Fahrgastzelle erstreckenden Stirnwand von Vorteil ist, um den Geräuschpegel in der Fahrgastzelle niedrig zu halten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 schematisch die Fertigung einer erfindungsgemäßen Verbundplatte;
2 eine Ansicht der Verbundplatte gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung; und
3 ein Stück Verbundplatte gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt schematisch die Fertigung einer erfindungsgemäßen Verbundplatte. In die Verbundplatte gehen ein ein Leichtmetallblech 1 und ein Stahlblech 2, die jeweils von in der Figur nicht dargestellten Coils abgewickelt werden. Das Leichtmetall des Blechs 1 kann insbesondere eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung sein. Auf das Stahlblech 2 wird einseitig eine Verbindungsschicht 3 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff aufgetragen. In der 1 geschieht dies durch Auflaminieren einer Folie 4 auf das Stahlblech 2 mit Hilfe von Walzen 5, zwischen denen Stahlblech 2 und Folie 4 hindurch laufen und aneinander angepresst werden. Alternativ könnte die Verbindungsschicht 3 auch durch Auftragen und Verstreichen eines pastösen Klebers auf das Stahlblech 2 erhalten werden. Die Verwendung der Folie 4 hat den Vorteil, dass die erhaltene Verbindungsschicht 3 zuverlässig frei von Löchern ist, die einen galvanischen Kontakt zwischen den Blechen 1, 2 ermöglichen könnten. Die Folie 4 kann beiderseits mit einem sofort wirksamen oder einem durch Hitze aktivierbaren Kleber beschichtet sein.
Das Leichtmetallblech 1 durchläuft ein Paar von Prägewalzen 6, 7, von denen die Walze 6 an ihrem Umfang mit langgestreckten Vorsprüngen 8 und die andere Walze 7 mit zu den Vorsprüngen 8 komplementären Aussparungen 9 versehen ist. Beim Durchgang zwischen den Walzen 6, 7 wird in das Leichtmetallblech 1 ein periodisches Muster aus an der vom Stahlblech 2 abgewandten Oberseite des Leichtmetallblechs 1 vorspringenden Rippen 10 und diesen jeweils an der dem Stahlblech 2 zugewandten Unterseite gegenüberliegenden Vertiefungen 11 gebildet.
An einem letzten Paar von Walzen 12, 13 treffen die Bleche 1, 2 aufeinander und werden gegeneinander gepresst. Wenigstens eine der Walzen 12, 13 kann beheizt sein, falls dies zum Aktivieren des Klebstoffs der Verbindungsschicht 3 nötig ist. Die Breite des Spalts zwischen den Walzen 12, 13 ist so bemessen, dass die jeweils von den Rippen 10 bzw. Vertiefungen 11 begrenzten ebenen Bereiche 14 des Leichtmetallblechs 1 in innigen Kontakt mit der Verbindungsschicht 3 kommen. Die Verbindungsschicht 3 kann dabei plastisch verformt werden, so dass sie in die Vertiefungen 11 eindringt. Wenn die Verbindungsschicht 3 dauerhaft plastisch verformbar ist, kann zugelassen werden, dass sie die Vertiefungen 11 ausfüllt; vorzugweise bleiben jedoch die Vertiefungen 11 vollständig oder wenigstens zum Teil von der Verbindungsschicht 3 frei.
2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Stück Verbundplatte gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Die Rippen 10 des Leichtmetallblechs 1 kreuzen einander im rechten Winkel und bilden so ein Rechteckmuster mit jeweils rechteckigen, durch die Verbindungsschicht 3 am Stahlblech 2 verklebten ebenen Bereichen 14. Das Leichtmetallblech 1 hat einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Stahlblech 2. Dies hat zur Folge, dass, wenn sich die Verbundplatte erwärmt, die ebenen Bereiche 14 sich ausdehnen, gleichzeitig aber die Rippen 10 gestaucht werden, so dass die Verbundplatte als Ganzes eben bleibt. In entsprechender Weise können die Rippen 10 gestaucht oder aufgeweitet werden, wenn die Verbundplatte einer Biegebelastung ausgesetzt ist. Die ebenen Bereiche 14 sind hier quadratisch, d. h. das von den Rippen 10 gebildete Muster ist vierzählig rotationssymmetrisch.
Bei der in 3 in perspektivischer Ansicht gezeigten Ausgestaltung der Verbundplatte sind die ebenen Bereiche 14 gleichseitige Sechsecke. Jede Drehung eines dieser Sechsecke um sich selbst um einen Winkel von 60° führt das von den Rippen 10 gebildete Muster in sich selbst über, das Muster ist demnach sechszählig rotationssymmetrisch. Anders als bei der Ausgestaltung der 2 gibt es keine Rippe, die sich kontinuierlich über die gesamte Verbundplatte erstreckt, sondern jeweils nur kurze Rippen 10, die an den Ecken der ebenen Bereiche 14 unter einem Winkel von 120° auf zwei andere Rippen 10 stoßen. Es gibt daher keine Richtung, in der die Verbundplatte der 3 gebogen werden könnte, ohne dass die Rippen 10 in ihrer Längsrichtung wirkenden Scher- und Zugkräften ausgesetzt sind. Durch solche Kräfte sind die Rippen 10 nur schwerlich verformbar, daher kann bei gleicher Materialstärke der Bleche 1, 2 und gleichem Querschnitt der Rippen 10 wie in der Ausgestaltung der 2 eine noch höhere Biegesteifigkeit erreicht werden. Die Unempfindlichkeit gegen thermische Spannungen ist genauso hoch wie bei der Ausgestaltung der 2, da genau wie bei dieser unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Leichtmetallblech 1 und Stahlblech 2 lediglich zu einer Stauch- oder Zugbeanspruchung in Querrichtung der Rippen 10 führen.
Aus den Verbundplatten der 2 bzw. 3 können durch Zuschneiden und Umformen diverse Kraftfahrzeugbauteile wie etwa eine Stirnwand, ein Getriebedeckel oder dergleichen gefertigt werden. Vorzugsweise erfolgt die Umformung durch Tiefziehen; insbesondere sollte dabei das Blech 1 einem hydrostatischen Druck ausgesetzt sein, um eine Beschädigung seiner Rippen 10 durch Reibung an einem Formwerkzeug auszuschließen. Eine Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Verbundplatte durch Roll- oder Pressformen kommt ebenfalls in Betracht, wobei aber darauf zu achten ist, dass wenigstens eines der dabei verwendeten Formwerkzeuge eine zum Muster der Rippen komplementäres Muster von Vertiefungen aufweist, das die Rippen während des Verformens der Verbundplatte aufnimmt und so verhindert, dass diese beim Umformen zwischen den Werkzeugen flachgedrückt werden oder, z. B. beim Formen einer scharfen, eine Rippe kreuzenden Biegung, umkippen.
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Bezugszeichenliste

1: Leichtmetallblech
2: Stahlblech
3: Verbindungsschicht
4: Folie
5: Walze
6: Prägewalze
7: Prägewalze
8: Rippe
9: Vertiefung
10: Rippe
11: Vertiefung
12: Walze
13: Walze
14: ebener Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19839931 A1 [0002]

Claims

Verbundplatte, insbesondere zur Verwendung im Kraftfahrzeugbau, mit einem ersten Blech (2), einem zweiten Blech (1) und einer zwischen den Blechen angeordneten Verbindungsschicht (3), bei der das erste Blech (2) aus einem ersten Metallwerkstoff und das zweite Blech (1) aus einem von dem ersten Metallwerkstoff verschiedenen zweiten Metallwerkstoff besteht, und dass das zweite Blech zwischen zum ersten Blech (2) eng benachbarten und durch die Verbindungsschicht (3) am ersten Blech (2) befestigten Bereichen (14) jeweils vom ersten Blech weiter beabstandete Bereiche (10) aufweist.
Verbundplatte nach Anspruch 1, bei der die Verbindungsschicht (3) galvanisch isolierend ist.
Verbundplatte nach Anspruch 1 oder 2, bei der die beabstandeten Bereiche des zweiten Blechs als sich zwischen den benachbarten Bereichen (14) erstreckende Rippen (10) ausgebildet sind.
Verbundplatte nach Anspruch 3, bei der den Rippen (10) jeweils eine Vertiefung (11) an der dem ersten Blech (2) zugewandten Seite des zweiten Blechs (1) gegenüberliegt.
Verbundplatte nach Anspruch 4, bei der die Vertiefung (11) wenigstens teilweise frei von der Verbindungsschicht (3) ist.
Verbundplatte nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei der die Rippen (10) Teil eines sich über die Fläche des zweiten Blechs periodisch wiederholenden Musters sind.
Verbundplatte nach Anspruch 6, bei der das Muster zweidimensional periodisch ist.
Verbundplatte nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der die zum ersten Blech (2) benachbarten Bereiche (14) ringsum von Rippen (10) begrenzt sind.
Verbundplatte nach Anspruch 6 oder 7 bei der das Muster ein Parallelogrammmuster ist.
Verbundplatte nach Anspruch 6 oder 7, bei der das Muster ein Wabenmuster ist.
Verbundplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verbindungsschicht (3) dünner ist als die Bleche (1, 2).
Verbundplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Metall des zweiten Blechs (1) eine geringere Festigkeit aufweist als das des ersten Blechs (2).
Verbundplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Blech (2) ein Stahlblech und das zweite Blech (1) ein Leichtmetall-, insbesondere ein Aluminium- oder Magnesiumblech ist.
Bauteil eines Kraftfahrzeugs, bei der es aus einer Verbundplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche gefertigt ist.
Bauteil nach Anspruch 14, das eine Stirnwand oder ein Getriebedeckel ist.