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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein rohrförmiges Entkoppelelement zur
Verbindung von Rohrleitungen, insbesondere für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren
in Kraftfahrzeugen, mit einem flexiblen Mantelteil und mit mindestens
einem Schwingungsdämpfungselement.
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Entkoppelelemente
mit flexiblem Mantelteil zum Verbinden von Rohrleitungen und mit
Schwingungsdämpfungselementen
sind bekannt, wobei abhängig
von der Art des Leitungssystems vielfältige Ausführungen derartiger Verbindungen
verwendet werden.
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So
ist z. B. in
DE 40
34 055 A1 eine flexible Verbindung für Abgasleitungen von Verbrennungsmotoren
beschrieben, die ein Wellrohr umfasst. Das Wellrohr ist von einem
Geflechtsschlauch aus Metalldraht umgeben, der mit den Wellrohrenden
verbunden ist. Zur Schwingungsdämpfung
weist die flexible Verbindung ein mit Abstand zur Außenseite
des Geflechtsschlauchs angeordnetes Dämpfungsglied auf, das als Federanordnung
in Form von Schraubendruckfedern oder Bügelfedern ausgebildet ist.
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Die
Patentschrift
DE 25
60 039 B1 beschreibt ebenfalls ein flexibles Verbindungsstück für Abgasleitungen
von Brennkraftmaschinen, dass ein Wellrohr mit Anschlussstutzen
an seinen Enden umfasst, wobei die Stutzen außen mittels eines blattfederartigen Stegs
miteinander verbunden sind.
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Im
US-Patent
US 5,299,837 wird
eine Vorrichtung zum Verbinden von Teilen einer Abgasanlage, insbesondere
Auspuffteilen eines Kraftfahrzeugs, beschrieben. Dabei werden Rohrteile
der Abgasanlage mittels eines Wellrohrs verbunden, an dessen Enden
Flansche angebracht sind, an denen auf der Außenseite des Wellrohrs Metallfedern
angeordnet sind.
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Die
Patentschrift
DE 195
48 340 C1 beschreibt eine Ansaugluftleitung für einen
Verbrennungsmotor. Die von einem Ladeluftkühler und einem Verbrennungsmotor
kommenden Rohre werden mittels eines Faltenschlauchs verbunden,
der an seinen Enden mit Klemmschellen an den Rohren befestigt wird.
Die Klemmschellen weisen Haken auf, an denen, zum Faltenschlauch
beabstandet, elastische Gummiringe eingehakt sind. Die elastischen
Mittel werden an den Elementen der Klemmschellen eingehängt und
außenseitig
am Faltenschlauch vorbeigeführt.
Durch diese Verbindung der Rohre wird vermieden, dass pulsierende
Ladedruckkräfte
oder Vibrationen des Motors auf die Fahrzeugkarosserie übertragen
werden.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
40 09 215 A1 zeigt eine Gelenkverbindung für Rohre,
die als Verbindungselement ein Wellrohrstück umfasst. Die Rohre werden
ineinander gesteckt und mittels Flanschen verbunden, die zwischen
sich elastische Kissen aufweisen und mittels Halteklammern aufeinander
zu gespannt werden.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
101 97 069 T1 offenbart ein Wellrohr, das von mehreren
flexiblen Platten an seiner Außenseite
umgeben ist. Diese Platten können
jedoch in einer Richtung quer zur Längserstreckung des Wellrohrs
nicht elastisch verformt werden.
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Die
zuvor beschriebenen Entkoppelelemente für die Leitungssysteme weisen
meist unterschiedliche schwingungstechnische Entkopplungseigenschaften
der verbundenen Leitungen (Rohre) in lateraler, angularer und axialer
Richtung auf. Ziel ist es insbesondere Resonanzüberhöhungen bei kleiner Bauform
zu vermeiden, da Schwingungen mit großer Amplitude z. B. bei Abgasanlagen
von Kraftwagen über
die Aufhängepunkte
auf die Karosserie übertragen
werden.
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Es
ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes
Entkopplungselement zum Verbinden von Rohrleitungen anzugeben, insbesondere
für Abgasleitungssysteme
von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, welches die genannten
Nachteile verringert oder beseitigt.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein eingangs genanntes Entkoppelelement gelöst, wobei
das Schwingungsdämpfungselement
im den Strömungsquerschnitt
bildenden Innern des Mantelteils angeordnet ist und ein quer zu
seiner Längserstreckung
eine elastische Eigensteifigkeit aufweisendes Federelement aufweist.
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Hierdurch
ergibt sich eine kleinere Baugröße des erfindungsgemäßen Entkoppelelements,
da äußere Schwingungsdämpfungselemente
und ihre etwaigen äußeren Haltevorrichtungen
komplett entfallen können.
Trotz maximaler kompakter Baugröße des erfindungsgemäßen Entkoppelelements,
ergibt sich zu der maximalen Zahl von Biegefreiheitsgraden vorteilhaft
zusätzlich,
dass sich, bis es zu einer Mantelberührung durch das Schwingungsdämpfungselement
kommt, auch starke Biegungen (kleine Biegeradien) realisieren lassen.
Bei den bekannten, außen befindlichen
Federelementen werden die Biegeradien des Entkoppelelements sehr
schnell durch die Anordnung der Federelemente limitiert, da diese
dann den Mantel berühren
und daher einer weiteren Verbiegung entgegenwirken. Im Inneren bietet
ein erfindungsgemäßes Entkoppelelement
in der Regel genügend
Raum, um ein ein Federelement umfassendes Schwingungsdämpfungselement
so anzubringen, dass dieses bei Schwingungen und/oder Verbiegungen
die inneren Mantelflächen
nicht berührt.
Sollen die gleichen Verbiegungen mit außen liegenden Elementen ohne
Berührung
des Mantels möglich sein,
so müssen
diese zur Mantelfläche
sehr weit beabstandet angeordnet werden (wenn keine Biegefreiheitsgrade
verloren gehen sollen), was einen zusätzlichen Raumbedarf für das Entkoppelelement
erfordert, wobei ein außenliegendes
Federelement sowieso wesentlich mehr Raum beansprucht als bei der
erfindungsgemäßen Konstruktion
notwendig ist. Dies ist insbesondere bei Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge
nachteilig, da dort im Allgemeinen der Raum aufgrund der immer umfangreicheren
Ausstattungen sehr begrenzt ist.
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Durch
das erfindungsgemäße Entkoppelelement
ergibt sich ferner der Vorteil, dass es hinsichtlich seiner räumlichen
Biegefreiheitsgrade bzw. seiner Flexibilität maximale Freiheit hat. Anders
als bei Anordnung eines Federelements außerhalb des Mantels ergibt
sich aufgrund der zentralen oder relativ zentralen Lage in Bezug
auf den Querschnitt kaum Unterschiede in bestimmten Raumrichtungen
einer Schwingung oder Ausbiegung. Dies ist insbesondere bei symmetrischen
Entkoppelelementen, wie z. B. einem linearen Wellrohr, sofort klar.
Um das gleiche Biegeverhalten mit äußeren Schwingungsdämpfungselementen
oder Federelementen zu erhalten, sind in der Regel mehrere, über den
Umfang verteilt angeordnete Elemente notwendig. Dies bedeutet überdies
im Allgemeinen ein anderes Dämpfungsverhalten
hinsichtlich der Schwingungsdämpfung.
Ferner ist bei den bekannten Entkoppelelementen ein erhöhter Fertigungs-
und Montageaufwand erforderlich, wodurch sie sich verteuern. Das
erfindungsgemäße Entkoppelelement
weist insbesondere bezüglich
lateraler und angularer Entkopplung bessere Eigenschaften auf, als
ein mit einem äußeren Federelement
bestücktes
Entkoppelelement.
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Ein
weiterer Vorteil bei innen angeordnetem Federelement ist, dass das
Entkoppelelement weniger stark den Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, und dass
es, z. B. bei Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen, aufgrund von Fahrbahnbeschaffenheit
oder sich auf der Fahrbahn befindenden Gegenstände weniger anfällig für Beschädigungen
ist.
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Ferner
kann beim erfindungsgemäßen Entkoppelelement
das Federelement im Allgemeinen seine Federeigenschaften besser
zur Geltung bringen, da das Federelement im Inneren (wie oben ausgeführt) mehr
Raum und unbehinderte Raumrichtungen zur Entfaltung seiner Federwirkung
zur Verfügung
hat, als dies bei außenseitiger
Anordnung der Fall ist. Davon profitiert das erfindungsgemäße Entkoppelelement
insbesondere bei lateralen und angularen Auslenkungen, die aufgrund
der elastischen Eigensteifigkeit des Federelements ebenfalls gedämpft sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Federelement in seiner Längserstreckung unelastisch
ausgebildet. Damit wird in dieser Richtung eine hohe Steifigkeit
des Entkoppelelements erzielt, wobei eine gute angulare und laterale Entkopplung
aufgrund der elastischen Eigensteifigkeit des Federelements quer
zur Längserstreckungsrichtung
gewährleistet
ist.
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In
einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Entkoppelelements
ist das Federelement mit Abstand zur Innenwand des Mantelteils angeordnet.
Das Entkoppelelement kann allgemein in Strömungsrichtung eine beliebige
Form aufweisen, so z. B. linear rohrförmig wie ein lineares Wellrohr,
es kann aber auch vorgebogen sein, sodass es bereits Biegeradien,
insbesondere auch bei dem Federelement, aufweist, wenn keine äußeren Kräfte an ihm
angreifen. Durch den Abstand des Federelements zur Innenwand des
Mantelteils lassen sich, wie oben bereits ausgeführt, vergleichsweise starke
Biegungen aus der Grundstellung ausführen, ohne das das Federelement
die Innenwand berührt.
Gleiches ist auch für
bogenförmige
Entkoppelelemente erzielt, indem das Federelement und/oder das Schwingungsdämpfungselement
dieselbe vorgebogene Form wie das Mantelteil hat. Hierbei ist insbesondere
die elastische Eigensteifigkeit des Federelements von Vorteil, die
es erlaubt, dem Federelement etwa die Form des Strömungsverlaufs im
Mantelteil zu geben, bzw. die Form einer durch das Mantelteil verlaufenden
Bahn, ohne dabei die Innenwand zu berühren. Allgemein kann das Schwingungsdämpfungselement
und/oder das Federelement entlang einer beliebigen, durch das Mantelteil verlaufenden
Bahn angeordnet sein. Dabei können diese
Bauteile im Inneren durch Stützelemente
zur Innenwand beabstandet angebracht sein.
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Bei
weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist das Federelement
einendig axial starr oder beidendig axial starr mit dem Mantelteil verbunden.
Eine derartige Verbindung kann z. B. mittels geeigneter Stützelemente
erzeugt werden, die sowohl mit dem Mantelteil als auch mit dem Federelement
starr oder dämpfend
verbunden sind. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften in
axialer Richtung, sodass Schwingungen in dieser Richtung entsprechend
stark bedampft werden.
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In
anderen vorzugsweisen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Entkoppelelements
ist das Federelement einendig oder beidendig axial verlagerbar mit dem
Mantelteil verbunden. Dies kann ebenfalls mittels am Mantelteil
befestigter Stützelemente
erreicht werden, in denen das Federelement z. B. mittels eines Lagers
axial geführt
ist. In einer vorzugsweisen Ausführungsform
ist die Verlagerbarkeit in Richtung auf die Mittelzone des rohrförmigen Entkopplungselements,
wobei in entgegengesetzter Richtung eine starre Befestigung des
Federelements am Mantelteil vorliegt. Dadurch wird für das erfindungsgemäße Entkoppelteil
eine maximale axiale Länge
festgelegt. Ebenso kann für
das erfindungsgemäße Entkoppelelement
eine minimale axiale Länge festgelegt
werden, indem in einer weiteren vorzugsweisen Erfindungsausgestaltung
die starre Befestigung in Richtung auf die Mittelzone des rohrförmigen Entkoppelelements
besteht und in entgegengesetzter Richtung die Verlängerbarkeit
des Federelements zum Mantelteil vorliegt. Die unterschiedlichen
Befestigungsarten führen
zu unterschiedlichen Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Entkoppelelements
weist im Inneren mindestens einen Einsatz zur Befestigung oder zur Führung des
Federelements auf. Dabei ist die Führung so ausgestaltet, dass
sie einer Gasströmung
einen nur unwesentlichen Widerstand entgegengesetzt. Mittels solcher
Einsätze
oder Führungen
werden, wie bereits oben erwähnt,
Stützelemente
für das Federelement
gebildet, um das Federelement zu halten, zu führen, dämpfend zu führen und/oder zu befestigen
und um bevorzugt eine Beabstandung des Federelements zur Innenwand
zu gewährleisten. Dies
ist bei entsprechender Ausgestaltung auch vorteilhaft, um mögliche Schwingungen
des Federelements in Richtung seiner elastischen Steifigkeit zu begrenzen
und etwaige Resonanzfrequenzen in unkritische Frequenzbereiche zu
verlagern.
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Das
Federelement kann beim erfindungsgemäßen Entkoppelelement als Federstange
oder Federdraht ausgebildet sein, wobei der Verlauf des Federelements
dann vorzugsweise dem Verlauf des Mantelteils und/oder dem Verlauf
der Gasströmung folgt.
Dies kann, wie schon erwähnt,
bei vorgebogenen Entkoppelelementen ebenfalls durch Vorbiegen des
Federelements erzielt werden, aber auch durch Verbiegen von Mantelteil
und Federelement aus einer Grundstellung heraus. Im ersten Falle
weist das Federelement bei Abwesenheit von Biegekräften keine
Lateralspannung auf, d. h. es liegt keine Spannung lateral zum Verlauf
des Entkoppelelements oder der Gasströmung vor. Im zweiten Fall ist
das Federelement bezüglich
dieser Richtung/Richtungen vorgespannt.
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Ferner
kann ein aus Federdraht bestehendes Federelement beim erfindungsgemäßen Entkoppelelement
als Federwendel ausgebildet sein. Allgemein kann das Federelement
aus Federstahl hergestellt sein.
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Es
können
vorzugsweise auch mehrere Schwingungsdämpfungselemente im den Strömungsquerschnitt
bildenden Inneren des Mantelteils angeordnet sein. Bei diesen Ausführungsformen
mit mehreren Federelementen, können
die Merkmale der weiter oben beschriebenen speziellen Ausführungsformen
ebenfalls vorteilhaft verwendet werden. Ferner kann wenigstens ein
Schwingungsdämpfungselement
und/oder wenigstens ein Federelement wenigstens teilweise in koaxialer
Lage mit dem Mantelteil angeordnet sein. Eine seitliche, von der
koaxialen Lage abweichende Anordnung der Elemente ist ebenfalls
möglich.
Unter „koaxial” soll allgemein eine
Anordnung entlang der Mittellinie in Strömungsrichtung des rohrförmigen Entkoppelelements
verstanden werden. Eine seitliche Anordnung des Federelements kann
vorteilhaft sein, wenn eine bezüglich
der Mittellinie des Entkoppelelements unsymmetrische Biegebelastung
zu erwarten ist. So kann z. B. dann in die dem Federelement bezüglich der
Mittellinie gegenüberliegende
Richtung stärker
gebogen werden als in die andere Richtung, bis das Federelement
zur Anlage an der Innenwand kommt.
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Die
Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele mittels der
Figuren näher
beschrieben. Dabei zeigen:
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1a, 1b eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Entkoppelelements in Seitenansicht
(Teilschnitt) und in Vorderansicht und
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2a bis 2c schematische
Darstellungen verschieden gelagerter Federelemente eines Entkoppelelements.
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1 zeigt
ein Entkoppelelements 100 in linearer rohrförmiger Ausführung mit
einem flexiblen Mantelteil z. B. bestehend aus einem Geflecht 1,
das einen Balg oder ein Wellrohr 3 von außen umgibt
und einen Inliner 2, der den Balg von innen ummantelt.
An den Stirnseiten sind Anschlussflansche 4, 4a zum Anschließen von
nicht dargestellten Rohren vorgesehen, um diese Rohre zu verbinden
und schwingungstechnisch zu entkoppeln. Die Befestigung der Rohre erfolgt
mittels Rohrschellen, alternativ auch durch Schweißen oder
Löten,
an den Flanschen 4, 4a. Die Flansche 4, 4a bilden
Einsätze
aus, die als Stützelemente
zum Halten eines ein Federelement 10 bildenden Schwingungsdämpfungselements
dienen, das im Innenbereich 6 des Mantelteils angeordnet
ist. Zum Halten des Federelements 10 sind Radialstege 4c an
den Flanschen 4, 4a vorgesehen. Die Bewegungspfeile 7 und 8 geben
schematisch die Entkopplungsrichtungen an, die zu einer Schwingungsdämpfung führen. Das
Entkopplungselement kann also in lateraler Richtung 8 und
ebenso in angularer Richtung 7 stark entkoppeln, da es
in diese Richtungen flexibel ist. Durch das Anbringen des eine elastische Eigensteifigkeit
quer zu seiner Längsrichtung
aufweisenden Federelements 10 im Mantelinneren innerhalb
des Strömungsquerschnitts,
ergeben sich für das
Entkoppelelement verschiedene Kennlinienmöglichkeiten, insbesondere in
Abhängigkeit
der Befestigungsarten. In 1 ist angenommen,
dass das Entkoppelelement 100 in axialer Richtung sehr
wenig entkoppelt, also ein vergleichsweise starres Verhalten relativ
zu den anderen Richtungen 7, 8 aufweist. Dies
ist dadurch erreicht, dass das Federelement 10 mit seinen
beiden Enden fest mit den Flanschen 4, 4a verbunden
ist. Die die Stützelemente
bildenden Flansche 4, 4a sind mit dem Mantelteil
fest verbunden. Das Federelement 10 verläuft koaxial
zum Mantelteil. Eine koaxiale Anordnung erlaubt vorteilhaft eine
gleiche Auslenkung oder Biegung in alle von der axialen Richtung
abweichende Richtungen, ohne das das Federelement 10 mit
dem Inliner 2 des Entkoppelelements 100 in Kontakt
kommt.
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Alternativ
kann das Federelement auch von der axialen Lage abweichend, z. B.
parallel verschoben angeordnet sein. Dies ist z. B. dann von Vorteil, wenn
das Entkoppelelement in eine Richtung sehr viel stärker gebogen
wird als in andere Richtungen.
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Die
vorstehend erwähnte
Befestigungsart ist schematisch in 2c dargestellt.
Durch Verbindungsmittel 5 ist eine feste Verbindung des
Federelements 10 mit den Flanschen 4, 4a geschaffen.
Die kurzen Pfeile 40 und 41 symbolisieren eine
sehr kleine axiale Elastizität
des Entkoppelelements. Die mit den Flanschen 4, 4a fest
verbunden Mantelteile 1, 2, 3 sind der
Einfachheit halber nicht dargestellt.
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In 2a sind die fest mit dem Mantelteil 1, 2, 3 verbundenen
Flansche 4, 4a nicht axial fest mit dem Federelement 10 verbunden,
wie in 1 oder 2c, sondern
an einem Ende axial verlagerbar. Durch mindestens einen äußeren Anschlag 10a am Federelement 10,
der bei Dehnungsbeanspruchung des Entkoppelelements 100 die
Bewegung in einer Richtung durch Anlage am Flansch 4a begrenzt, kann
sich das flexible Mantelteil 1, 2, 3 -vom
Flansch 4 aus betrachtet- in Richtung auf die Mittenzone
bewegen, wobei in entgegengesetzter Richtung eine nahezu starre
Verbindung der Stirnseiten des Entkoppelelements gegeben ist. Die
Pfeile 20 und 21 symbolisieren die unterschiedliche
axiale Verformbarkeit des Entkoppelelements.
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Vom
Flansch 4 aus betrachtet kann sich in 2b das
flexible Mantelteil 1, 2, 3, bedingt
durch den inneren Anschlag 9, nicht in Richtung der Mittelzone
bewegen. Dagegen kann es sich in die umgekehrte Richtung bewegen.
Wird das Entkoppelelement also axial beaufschlagt, so ergibt sich
in einer Richtung eine starre Verbindung und in der anderen Richtung
eine Verlagerbarkeit, die in Abhängigkeit von
der Ausbildung der Führung
auch gedämpft,
also schwingungsberuhigend, erfolgen kann. Die Pfeile 30 und 31 symbolisieren
auch hier die axiale Verformbarkeit. Es sei darauf hingewiesen,
dass auch die axiale Federsteifigkeit durch Dämpfungselemente eingestellt
werden kann.
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In 2 nicht
dargestellt sind die Möglichkeiten,
dass das Federelement einendig starr und z. B. am anderen Ende verlagerbar
mit dem Mantelteil verbunden ist. Die einendig starre Verbindung
kann z. B. mittels einer festen Verbindung des Federelements 10 und
des Einsatzes 4 erreicht werden. Das andere Ende kann verlagerbar
sein, z. B. durch geeignete axiale Lagerung -auch Dämpflagerung-
des Federelements.
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Ferner
können
links und/oder rechts eines Einsatzes oder beider Einsätze Anschläge 9, 10a mit axialem
Spiel angebracht sein, sodass die maximale Dehnung bzw. Stauchung
des Entkoppelelements vorgegeben werden kann.
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Durch
gelagerte und/oder starre oder fest verbundene Ausbildung von Federelement 10 und Einsätze 4 ergibt
sich ein unterschiedliches Dämpfungsverhalten
des Entkoppelelements mit den daran angeschlossenen Rohren.
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- 100
- Entkoppelelement
- 1
- Geflecht
- 2
- Inliner
- 3
- Balg
oder Wellrohr
- 4
- Einsatz,
Stützelement,
Flansch
- 4a
- Einsatz,
Stützelement,
Flansch
- 5
- Verbindungsmittel
- 6
- Innenbereich
- 7
- angulare
Bewegung
- 8
- laterale
Bewegung
- 9
- Anschlag
- 10
- Federelement,
Schwingungsdämpfungselement
- 10a
- Anschlag
- 21
- Pfeil
- 20
- Pfeil
- 31
- Pfeil
- 30
- Pfeil
- 40
- Pfeil
- 41
- Pfeil