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Die
Erfindung betrifft ein Leitungselement aus Metall zur Abkopplung
hochfrequenter Schwingungen bei Leitungsanordnungen nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
Leitungsanordnungen, wie Abgasleitungen von Kraftfahrzeugen, entstehen
regelmäßig hochfrequente
Schwingungen im Leitungsmaterial selbst, sogenannter Körperschall,
wenn die betreffenden Leitungsanordnungen mit einer Schwingungen
erzeugendenden Quelle, wie einem Motor oder dergleichen, verbunden
sind. Die hochfrequenten Schwingungen entstehen sowohl durch Restunwuchten
von bewegten Teilen, wie Rotoren von Abgasturboladern oder Kompressoren,
als auch durch Druckpulsationen in der Leitungsanordnung, wie sie
beispielsweise beim Öffnen
von Auslassventilen eines Motors entstehen. Der hierdurch induzierte
Körperschall
breitet sich in der Abgasanlage aus und führt an nachgeschalteten Einrichtungen,
wie Katalysatoren oder Schalldämpfern,
zu einer unerwünschten Abstrahlung
von Geräuschen
im hörbaren
akustischen Bereich.
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Um
das Problem der Geräuschabstrahlung zu
vermeiden, sind nach dem Stand der Technik Leitungselemente aus
Metall zur Abkopplung hochfrequenter Schwingungen bekannt, wie sie
beispielsweise in der
EP
1 026 375 A2 dargestellt sind. Die Abkopplung wird demgemäß bei einer
Leitungsanordnung mit einem in die Leitung eingesetzten, schraubenförmigen oder
ringgewellten kurzen Balg mit hoher Steifigkeit dadurch bewerkstelligt,
dass auf einem profilierten Balgabschnitt ein kraft- oder formschlüssig aufgesetzter
Gestrickemantel angeordnet ist.
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Es
hat sich bei derartigen Leitungselementen jedoch insbesondere als
nachteilig herausgestellt, dass die räumliche Anordnung des Gestrickemantels
zu einer Vergrößerung der
radialen Ausdehnung des Leitungselements führt, was insbesondere bei einem
Einsatz in Abgaslagen von Kraftfahrzeugen mit den dort gegebenen
engen Bauraumverhältnissen
kollidiert. Darüber
hinaus berührt
der Gestrickemantel gemäß
EP 1 026 375 A2 aufgrund
seiner Anordnung den Balg in Bereichen, in denen dieser aufgrund
seiner gewellten Ausbildung eine besonders hohe Biegesteifigkeit
aufweist, so dass durch eine derartige Anordnung des dämpfenden
Gestrickemantels keine ausreichende Abkopplung von hochfrequenten
Schwingungen erreichbar ist.
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Die
EP 816 738 B1 zeigt
ein Entkopplungselement für
Schwingungen in Rohrleitungen, insbesondere in Abgasanlagen von
Brennkraftmaschinen, bei dem eine Kraftübertragungseinrichtung aus
einem ein flexibles Verbindungselement umgebenden Gehäuse und
an dessen Enden mit ihm verbundene beabstandete Federeinrichtungen
gebildet ist, die andererseits an Rohranschlussstücken anliegen,
wobei die Federeinrichtungen durch in einer radialen Ebene sich
erstreckenden Blattfederelementen gebildet sind und in einer Ausnehmung
im Rohran schlussstück
eingreifen, so dass die Federeinrichtung bei einer Bewegung des
Rohranschlussstücks
relativ zum Gehäuse
in kraftübertragendem
Eingriff bringbar ist, wodurch hier also mechanische Kräfte, auch
in Form von niederfrequenten Schwingungen, aufgenommen werden sollen.
Auch wenn zusätzlich
zwischen jeweils einem Ende des flexiblen Leitungselements und einem
Anschlussstück
ein Drahtkissen vorgesehen sein kann, so ist die bekannte Vorrichtung
im Hinblick auf ihre vorstehend im Detail dargestellte Ausgestaltung
nicht geeignet hochfrequente Schwingungen abzukoppeln. Durch die
dargestellte Ausgestaltung mit dem über die Federelemente an die Rohrleitungsenden
angekoppelten, das flexible Leitungselement überspannenden Gehäuse wird
vielmehr eine Übertragungsbrücke zur
Weiterleitung des Körperschalls
gebildet, so dass dieser sich nahezu ungehindert über das
Gehäuse
und die Blattfedern von einem zum anderen Ende des Leitungselements ausbreiten
und in nachteiliger Weise von der gesamten Abgasanlage ausgestrahlt
werden kann.
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Die
EP 816 738 A1 zeigt
ein Entkopplungselement für
Schwingungen in Rohrleitungen, bei dem zwei Rohrenden gasdicht durch
einen Balg verbunden sind, durch den ein Leitrohr als Hitzeschutzelement
von einem der Rohrenden her hindurchgreift. Vom gleichen Rohrende
her ist der Balg durch ein Gehäuse
bis auf die axiale Höhe
des anderen Rohrendes und dieses umgebenden übergriffen, wobei zwischen
dem freien Ende des Gehäuses
und dem anderen Rohrende eine Federeinrichtung verspannt ist, die
eine federnde Verbindung zwischen dem Gehäuse und den anderen Rohrenden
und damit letztendlich den beiden Rohrenden bewirkt. Fakultativ können zwischen
radialen Abschnitten von Gehäuse bzw.
anderem Rohrende und der jeweils ersten benachbarten Balgwelle Dämpfungselemente
vorgesehen sein.
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Die
Verbindung zwischen den Rohrenden über das Gehäuse und die zwischengeschaltete
Feder ist ein Bypass zur Balg-Dämpfungselemente-Verbindung
und damit eine ungedämpfte Übertragungsbrücke für den Körperschall.
Dies führt
dazu, dass sich Körperschall
nahezu ungehindert über
das Gehäuse
und die Federn von einem Rohrende zum anderen Rohrende des Leitungselements
ausbreiten kann, was zu einer erheblichen Geräuschentwicklung führt. Darüber hinaus
ist das bekannte Entkopplungselement aufwändig.
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Nachteile ein
Leitungselement zu schaffen, das neben verringertem radialem Bauraum
insbesondere eine verbesserte Abkopplung hochfrequenter Schwingungen
bewirkt.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Leitungselement der eingangs genannten Art
gelöst,
das das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 aufweist.
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Beim
Erfindungsgegenstand bildet der Balg die einzige Verbindung zwischen
den Enden der Leitungselemente. Dadurch, dass keine Übertragungswege
vorgesehen sind und an zumindest einem Ende des Balgs zwischen einer
Endhalbwelle desselben und sich radial erstreckenden Haltemitteln
an mindestens einem Rohrende ein Dämpfungselement vorgesehen ist,
wird eine Übertragungsbrücke für Körperschall
vermieden und durch diese Ausgestaltung eine effektive Abkopplung
hochfrequenter Schwingungen im akustischen Bereich bewirkt.
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Der
wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht
in der Anordnung des Dämpfungselements,
da nur durch dessen erfindungsgemäße Anordnung die senkrecht
zur Balgoberfläche
schwingenden Anteile der transversalen Biegeschwingung des Körperschalls
wirkungsvoll gedämpft
werden können.
Der Balg besitzt Bereiche mit unterschiedlichen Biegesteifigkeiten,
die im wesentlichen von seiner Krümmung abhängig sind. Dabei sind die radialen,
ebenen Flankenbereiche der Wellen (die Endhalbwellen) des Balgs
am biegeweichesten, da sie keine oder kaum Krümmung besitzen und dadurch
dem Balg die charakteristische hohe Flexibilität verleihen. Dagegen besitzt
der Balg im Bereich der inneren und äußeren Wellenbögen (Wellenberge und
-täler)
eine doppelte Krümmung
und weist deshalb in diesem Bereich besonders hohe Biegesteifigkeiten
auf. Vor diesem Hintergrund ermöglicht
die erfindungsgemäße Lage
des Dämpfungselements
eine deutlich verbesserte Abkopplung hochfrequenter Schwingungen
und führt
gleichzeitig zu einer Reduzierung der radialen Ausdehnung des Leitungselements,
wodurch ein geringerer radialer Bauraum erforderlich ist, der insbesondere
im Bereich der Abgasanlage von Kraftfahrzeugen nur eingeschränkt zur
Verfügung
steht.
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Um
eine möglichst
ausgedehnte Kontaktfläche
des Dämpfungselements
mit den radialen Flankenbereichen der Endhalbwelle des Balgs zu
erreichen, ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitungselements
vorgesehen, dass das Dämpfungselement
ringförmig,
vorzugsweise mit im wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet
ist.
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Des
weiteren ist nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements
vorgesehen, dass die an der Leitungsanordnung vorgesehenen Haltemittel
als Winkelring ausgebildet sind.
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Um
eine möglichst
hohe Dämpfungswirkung zu
erzielen, sieht eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements
vor, dass das Dämpfungselement
mit einer radialen Flanke der Endhalbwelle in flächigem Kontakt steht.
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Zum
Zwecke einer optimalen und/oder anpassbaren Abkopplung hochfrequenter
Schwingungen kann das Dämpfungselement
zwischen Balgende und den Haltemitteln vorgespannt angeordnet sein.
Aufgrund der besonders geeigneten Dämpfungscharakteristiken derartiger
Elemente ist das Dämpfungselement
vorzugsweise ein Metallkissenelement und besteht aus einem metallischen
Gestricke, Gewebe, Geflecht oder Gewirke. Darüber hinaus weisen derartige
Dämpfungselemente
vorteilhafterweise eine hohe Standfestigkeit, insbesondere bei extremen
Witterungs- und Temperatureinflüssen
auf.
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Um
die Dämpfungseigenschaften
des erfindungsgemäßen Leitungselements
weiter zu verbessern, sieht eine äußerst bevorzugte Ausgestaltung vor,
dass der Balg aus mindestens zwei metallischen Balglagen mit mindestens
einer zwischen diesen angeordneten Gestricke-, Gewebe-, Geflecht-
oder Gewirkelage gebildet ist.
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Zwecks
verbesserter Auslöschung
bei Reflexionen von Biegewellen sind die Balgwellen des erfindungsgemäßen Leitungselements
vorzugsweise mit unterschiedlichen Profilhöhen ausgebildet. Um den Balg
von innen zu schützen,
kann weiterhin vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Leitungselement
zusätzlich
ein koaxial zum Balg verlaufendes und innerhalb desselben angeordnetes
rohrförmiges
Innenschutzteil aufweist, welches nach einer Weiterbildung der Erfindung
im Bereich der Wellen des Balgs einen verminderten Durchmesser aufweist.
Bei dem Innenschutzteil kann es sich erfindungsgemäß um einen
Wickelschlauch handeln.
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Vorzugsweise
ist das Innenschutzteil in Richtung der Leitungslängsachse
zweiteilig ausgebildet. Dabei können
die beiden Abschnitte des Innenschutzteils an ihren einander zugewandten
Enden unterschiedliche Durchmesser aufweisen und einander zumindest
teilweise überlappend
angeordnet sein. Vorzugsweise sind dabei die aus dem Balg herausstehenden
Enden des Innenschutzteils als Befestigungsenden, beispielsweise
als Schweißenden, ausgebildet,
an denen weitere Teile einer Leitungsanordnung befestigbar sind.
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Um
eine optimierte Dämpfungswirkung
des erfindungsgemäßen Leitungselements
zu erzielen, ist im Rahmen einer äußerst bevorzugten Ausgestaltung
vorgesehen, dass zwischen dem Innenschutzteil bzw. einem von dessen
Abschnitten und dem Balg ein weiteres Dämpfungselement der genannten Art
angeordnet ist. Indem ein solches weiteres Dämpfungselement den Balg im
Bereich von dessen Innenwellen berührt, ermöglicht es die zusätzliche Dämpfung von
Schwingungen auch im Bereich der relativ biegesteifen Bereiche des
Balgs, wie an sich aus der
EP
1 026 375 A2 bekannt, ohne jedoch den angesprochenen Nachteil
vergrößerter radialer
Ausdehnung mit sich zu bringen. Vorzugsweise ist im Rahmen einer
derarti gen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitungselements das weitere Dämpfungselement
ringförmig
ausgebildet und liegt flächig
am Innenschutzteil sowie an Innenwellen des Balges an.
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Weitere
Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnungen.
Es zeigt:
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1 eine
erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitungselements mit zwei
koaxial angeordneten, den Balg einschließenden Dämpfungselementen;
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2 eine
weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitungselements mit nur
einem Dämpfungselement;
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3 die
Ausgestaltung gemäß 1 im Längsschnitt
mit einer Detaildarstellung der Balgstruktur;
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4 eine
im wesentlichen der 1 entsprechende Ausgestaltung
der Erfindung mit Balgwellen, die unterschiedliche Profilhöhen aufweisen;
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5 eine
weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitungselements mit einseitig
vergrößertem Anschlussdurchmesser;
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6 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Leitungselement
mit einteiligem Innenschutzteil;
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7a eine
im wesentlichen der 6 entsprechende Darstellung
eines erfindungsgemäßen Leitungselements
mit zweiteiligem Innenschutzteil; und
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7b eine
der 7a entsprechende Darstellung eines erfindungsgemäßen Leitungselements mit
zusätzlichem
Dämpfungselement
zwischen Innenschutzteil und Balg.
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Die 1 zeigt
eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitungselements 1.
Das Leitungselement 1 besitzt eine Längsachse L, die bei Verwendung
des Leitungselements 1 in Leitungsanordnungen, wie Abgasleitungen
für Kraftfahrzeuge, mit
einer entsprechenden Längsachse
der Leitungsanordnung im Bereich des erfindungsgemäßen Leitungselements 1 zusammenfällt. Weiterhin
weist das erfindungsgemäße Leitungselement 1 in
seinem zentralen Bereich einen koaxial zur Längsachse L angeordneten Metallbalg 2 auf,
der eine bereichsweise gewellte Ausformung mit mäander- oder ringförmiger Profilierung
der Wellen 3 besitzt. Ein sich an eine endständige Halbwelle 4 des
Balgs 2 anschließendes
Dämpfungselement 5.1, 5.2 aus
einem metallischen Gestricke, Gewebe, Geflecht oder Gewirke ist ebenfalls
koaxial zur Längsachse
L der Leitungsanordnung auf glatten Enden 2.1 des Balgs 2 angeordnet
und liegt mit seiner dem Balg 2 zugewandten Seitenfläche 6.1, 6.2 flächig an
der entsprechenden radialen Außenflanke 7.1, 7.2 der
letzten Halbwelle 4.1, 4.2 des Balgs 2 an.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einer Halbwelle des
Balgs ein Balgabschnitt zwischen zwei benachbarten Wellenbögen (Biegungen
von ca. 180°)
verstanden, in dem aufgrund der mäanderförmigen Ausbildung des Balgs
genau ein in wesentlicher radial bezüglich der Längsachse L verlaufender Balgabschnitt
(radiale Flanke) liegt. In den Figuren sind die entsprechenden Halbwellen 4, 4.1, 4.2 jeweils
durch gestrichelte vertikale Li nien abgegrenzt gegenüber dem
Mittelbereich des Balgs gekennzeichnet. Die Dämpfungselemente 5.1, 5.2 sind
in axialer Richtung zwischen den Außenflanken 6.1, 6.2 des
Balgs 2 sowie jeweils einem Winkelring 8.1, 8.2 gehalten
und ggf. verspannt, der jeweils direkt oder unmittelbar mit dem
Balg 2 verbunden, beispielsweise durch Verschweißen, oder
auch einstückig
ausgebildet ist. Hierdurch bildet das erfindungsgemäße Leitungselement
ein vollständiges,
in seiner Gesamtheit handhabendes auch als solches in einfacher
Weise in eine Abgasleitung einsetzbares Element. Wie sämtlichen
Zeichnungen zu entnehmen ist, bildet der Balg 2 die einzige
Verbindung zwischen dem einen abgewandten Ende des Leitungselements,
so dass durch die derartigen Dämpfungselement 5.1, 5.2 eine
effektive Entkopplung von Körperschall
im akustischen Bereich gegeben ist.
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Bei
der Ausgestaltung der 1 handelt es sich bei dem Balg 2 vorzugsweise
um einen ringförmig
gewellten, kurzen mehrlagigen Balg hoher Steifigkeit, an den sich
in axialer Richtung jeweils ein ebenfalls ringförmiges Dämpfungselement 5.1, 5.2 mit
im wesentlichen rechteckigem, speziell quadratischem Querschnitt
anschließt.
Die Dämpfungselemente 5.1, 5.2 können mit
Hilfe der Winkelringe 8.1, 8.2 mit Vorspannung
eingebaut werden und stehen somit in jedem Falle in engem Kontakt
mit den radialen Flankenbereichen 6.1, 6.2 der
Endhalbwellen 4.1, 4.2 des Balgs 2. Nur
aufgrund dieser speziellen erfindungsgemäßen Anordnung können auch
die senkrecht zur Balgoberfläche
schwingenden Anteile transversaler Biegeschwingungen des Körperschalls wirkungsvoll
gedämpft
werden.
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Die 2 zeigt
eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitungselements, bei der
im Gegensatz zur vorstehend erläuterten
Darstellung der 1 nur auf einer Seite des Balgs 2,
vorzugsweise motorseitig, ein Dämpfungs element 5 vorgesehen
ist, das wiederum in Richtung der Längsachse L durch einen Winkelring 8 bzw.
die radiale Außenfläche 6 der
Endhalbwelle 4 des Balgs 2 festgelegt ist.
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Die 3 zeigt
eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Leitungselements 1 gemäß der Ausgestaltung
in 1. In dieser Darstellung wird deutlich, dass die
Dämpfungselemente 5.1, 5.2 aufgrund
ihrer ringförmigen
Ausgestaltung auch mit den speziell zylinderförmigen Endabschnitten 2.1 des Balgs 2 in
flächigem
Kontakt stehen, was ebenfalls zu einer wirksamen Bedämpfung des
Körperschalls beiträgt.
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Im
oberen Teil der
3 ist weiterhin ausschnittsweise
ein spezieller Aufbau des Balgs
2 dargestellt, wie er aus
der
DE 297 13 484
U1 bekannt ist und auch beim Gegenstand dieser Erfindung
zum Einsatz kommt. Dargestellt ist eine Welle
3 des Balgs
2,
dessen Wandung eine Schichtstruktur mit einer Anzahl von Balglagen
2.2,
2.3,
2.4 sowie
zwischen diesen angeordneten Dämpfungseinlagen
2.5,
2.6 aufweist.
Erfindungsgemäß sind der
Balg
2 und insbesondere die Dämpfungseinlagen
2.5,
2.6 derart ausgebildet,
dass sie in Kombination mit den Dämpfungselementen
5.1,
5.2 zur
Bedämpfung
des in axialer Richtung aufgeprägten
Körperschallpegels
dienen, der hinter dem erfindungsgemäßen Leitungselement
1 mit
deutlicher Pegelabsenkung in Richtung der weiteren Abgasanlage (nicht
gezeigt) weitergeleitet wird und so an nachgeschalteten Bauteilen
(nicht gezeigt), wie den Gehäusen
von Katalysatoren und/oder Schalldämpfern, nicht zu einer unerwünschten
Abstrahlung von Geräuschen
im hörbaren
akustischen Bereich führt.
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Im
Zuge einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitungselements,
die in der 4 gezeigt ist, können die
Wellen 3 des Balgs 2 unterschiedliche, hier speziell
alternierende Profilhöhen
h1, h2 aufweisen,
was eine verbesserte Auslöschung
bei Reflexionen von Biegewellen des erfindungsgemäßen Leitungselements 1 ermöglicht.
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Gemäß der in
der 5 gezeigten weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitungselements 1 kann
der Balg auch ausschließlich
im Bereich einer der endständigen
Halbwellen 4.2 eine einseitig verkürzte Profilhöhe h3 aufweisen, so dass sich auf dieser Seite
des Leitungselements 1 aufgrund eines vergrößerten Balginnendurchmessers
D auch ein vergrößerter Anschlussdurchmesser
für weitere Teile
einer Leitungsanordnung ergibt.
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Die 6 zeigt
ein erfindungsgemäßes Leitungselement 1,
speziell gemäß den Ausgestaltungen
der 1 und/oder 3, bei dem
zusätzlich
im Inneren des Balgs 2 ein zusätzliches durchgehendes Innenschutzteil 9 vorhanden
ist, das speziell als Wickelschlauch ausgebildet sein kann. Das
Innenschutzteil 9 weist im Bereich der Wellen 3 des
Balgs 2 einen gegenüber
den Anschlussenden verminderten Durchmesser D' auf. Gemäß der Ausgestaltung der 7a kann
das Innenschutzteil auch zweiteilig 9.1, 9.2 ausgebildet
sein, wobei speziell ein Abschnitt 9.1 im Bereich des Balgs 2 einen
verminderten Enddurchmesser D'' aufweist, so dass
die beiden Abschnitte 9.1, 9.2 des Innenschutzteils 9 im
Inneren des Balgs 2 zumindest teilweise überlappend
angeordnet sind. Gemäß der in 7b gezeigten
alternativen Ausgestaltung kann in einem Bereich 10 zwischen
den unteren Umkehrbögen 11 der
Wellen 3 des Balgs 2 und dem Innenschutzteilabschnitt 9.1 im Bereich
dessen verminderten Durchmessers D'' ein weiteres
ringförmiges
Dämpfungselement 12 eingefügt sein,
an dem die Innenseite des Balgs 2 sowie das Innenschutzteil 9.1 beidseitig
flächig
anliegen.
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Die
aus dem Balg 2 herausragenden Enden des Innenschutzteils 9 bzw.
der Innenschutzteile 9.1, 9.2 der Ausgestal tungen
gemäß den 6 bis 7b sind
vorzugsweise aus einem temperatur- und korrosionsbeständigen Material
gebildet und fungieren als Befestigungsenden, speziell Schweißenden, über die
das erfindungsgemäße Leitungselement 1 mit
weiteren Bestandteilen der Leitungsanordnung verbindbar ist.
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- 1
- Leitungselement
- 2
- Balg
- 2.1
- Balgende
- 2.2,
2.3, 2.4
- Balglage
- 2.5,
2.6
- Dämpfungslage
- 3
- Wellen
- 4.1,
4.2
- endständige Halbwelle
- 5,
5.1, 5.2
- Dämpfungselement
- 6,
6.1, 6.2
- radiale
Flanke
- 7,
7.1, 7.2
- Seitenfläche
- 8,
8.1, 8.2
- Winkelring
- 9,
9.1, 9.2
- Innenschutzteil
- 10
- Zwischenraum
- 11
- unterer
Umkehrbogen
- 12
- Dämpfungselement
- D,
D', D''
- Durchmesser
- L
- Längsachse
- h1, h2, h3
- Profilhöhe