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Die
Erfindung betrifft ein Verbindungselement zwischen einem eintrittsseitigen
Rohr und einem austrittsseitigen Rohr, und insbesondere ein solches
Verbindungselement zur Torsionsentkopplung zwischen einem Abgaskrümmer eines
Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs und einer Abgasanlage des Fahrzeugs.
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Bei
einer herkömmlichen
Anordnung, wie sie beispielhaft in 6 veranschaulicht
ist, ist ein Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs über einen Abgaskrümmer 12 mit
einer Abgasanlage 14 verbunden. Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 erfährt dieser
eine Drehbewegung um seine Motormittelachse 16 und damit
eine Relativbewegung zur Abgasanlage 14. Auf diese Weise
erzeugte Torsionsschwingungen werden entweder durch rechtwinklig
angeordnete Wellschläuche 18 entkoppelt (siehe 6)
oder müssen
durch eine geeignete Konstruktion der Abgasanlagenkomponenten getragen
werden.
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Aus
der
DE 28 29 333 C2 ist
weiter eine Hochtemperatur-Verbunddichtung
bekannt, die in der flexiblen Verbindung (Kugel-Pfannen-Gelenk)
zwischen dem Abgaskrümmer
und der Abgasanlage verwendet werden kann und dabei eine Relativdrehung
zwischen den beiden Komponenten erlaubt. Die Verbunddichtung ist
kreisringförmig
aus einem aufgewickelten Streifen aufgebaut, der aus einem hitzebeständigen Folien material
und einem Drahtgitter besteht, die eng miteinander verkettet sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verbindungselement zwischen einem eintrittsseitigen
Rohr und einem austrittsseitigen Rohr zu schaffen, das ein Entkoppeln
von Torsionsschwingungen zwischen den beiden Rohren ermöglicht.
Das Verbindungselement soll insbesondere zur Torsionsentkopplung
zwischen einem Abgaskrümmer
eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs und einer Abgasanlage des Fahrzeugs
eingesetzt werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verbindungselement zwischen
einem eintrittsseitigen Rohr und einem austrittsseitigen Rohr weist
im Wesentlichen auf:
ein erstes kreisringförmiges Gleitelement, das gasdicht
und starr mit dem eintrittsseitigen Rohr verbunden ist und eine
an seinem Innenumfang verlaufende radiale Gleitfläche aufweist;
ein
zweites kreisringförmiges
Gleitelement, das gasdicht und starr mit dem austrittsseitigen Rohr
verbunden ist, eine an seinem Außenumfang verlaufende radiale
Gleitfläche
aufweist und koaxial zum ersten Gleitelement angeordnet ist, wobei
die radiale Gleitfläche
des ersten Gleitelements und die radiale Gleitfläche des zweiten Gleitelements
in Gleitkontakt zueinander stehen und relativ zueinander um die
Symmetrieachse des Verbindungselements verdrehbar sind; und
wenigstens
eine Federklammer, deren eines Ende am eintrittsseitigen Rohr oder
am ersten Gleitelement und deren anderes Ende am austrittsseitigen Rohr
oder am zweiten Gleitelement so fixiert sind, dass das erste und
das zweite Gleitelement bzw. das eintrittsseitige und das austrittsseitige
Rohr axial gegeneinander gedrückt
werden.
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Die
beiden Gleitelemente erlauben ein Verdrehen des eintrittsseitigen
und des austrittseitigen Rohrs zueinander, indem die radialen Gleitflächen der
beiden Gleitelemente aufeinander gleiten. Die wenigstens eine Federklammer
drückt
die beiden Gleitelemente bzw. die beiden Rohre in axialer Richtung
gegeneinander und stellt sich bei einer Verdrehung der beiden Gleitelemente
bzw. Rohre relativ zueinander schräg.
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Das
erfindungsgemäße Verbindungselement erlaubt
bei einfacher und kostengünstiger
Bauweise eine vollständige
Torsionsentkopplung in Richtung seiner Symmetrieachse.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
besser verständlich.
Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Motor- und Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs
mit einem erfindungsgemäßen Verbindungselement
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine
schematische Darstellung einer Motor- und Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs
mit einem erfindungsgemäßen Verbindungselement
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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3 eine
schematische Darstellung einer Motor- und Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs
mit einem erfindungsgemäßen Verbindungselement
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel;
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4 eine
schematische Darstellung einer Motor- und Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs
mit einem erfindungsgemäßen Verbindungselement
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel;
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5 eine
schematische Darstellung einer Motor- und Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs
mit einem erfindungsgemäßen Verbindungselement
gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel;
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6 eine
schematische Darstellung einer herkömmlichen Motor- und Abgasanlage
eines Kraftfahrzeugs;
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7 eine
schematische Längsschnittansicht
eines erfindungsgemäßen Verbindungselements
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel;
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8 eine
schematische Seitenansicht des Verbindungselements von 7 in
seiner Ausgangslage; und
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9 eine
schematische Seitenansicht des Verbindungselements von 7 in
verdrehter Lage.
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Anhand 1 bis 5 werden
zunächst verschiedene
Anwendungsmöglichkeiten
eines Verbindungselements der Erfindung näher erläutert.
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Wie
in 1 dargestellt, in welcher gleiche Komponenten
mit den gleichen Bezugsziffern wie in der eingangs beschriebenen 6 eines
herkömmlichen
Systems gekennzeichnet sind, ist ein Verbrennungsmotor 10 eines
Kraftfahrzeugs über
einen Abgaskrümmer 12 mit
der Abgasanlage 14 verbunden. Zur Entkopplung von Torsionsschwingungen,
die während
des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 um seine Motormittelachse 16 verursacht
werden, ist die Abgasanlage 14 anstelle der rechtwinklig
angeordneten Wellschläuche 18 (6) über ein
Verbindungselement 20 gemäß der Erfindung mit dem Abgaskrümmer 12 verbunden.
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Bei
Verwendung des erfindungsgemäßen Verbindungselements 20 ist
im Gegensatz zur herkömmlichen
Anordnung von 6 auch keine rechtwinklig geführte Rohrverbindung
erforderlich, wie in 2 dargestellt.
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In
Verbindung mit einem „weichen", nicht selbsttragenden
Wellschlauch 22 kann eine fahrzeugfest aufgehängte Abgasanlage 14 bei
längs zur Motormittelachse 16 geführter Abgasanlage 14 von der
Motorschwingungsanregung entkoppelt werden, wie in 3 und 4 veranschaulicht.
Der Wellschlauch 22 entkoppelt dabei vollständig die
seitens des Verbrennungsmotors 10 in die Abgasanlage 14 eingetragenen
Querkräfte
und Biegemomente, das erfindungsgemäße Verbindungselement 22 entkoppelt
die seitens des Verbrennungsmotors 10 in die Abgasanlage 14 eingetragenen
Torsionsmomente ebenfalls vollständig.
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Wie
in 5 gezeigt, kann in Verbindung mit einem „harten", nicht selbsttragenden
Wellschlauch 23 eine nicht fahrzeugfest aufgehängte Abgasanlage 14 bei
parallel zur Motormittelachse 16 geführter Abgasanlage 14 von
der Motorschwingungsanregung entkoppelt werden. Der Wellschlauch 23 reduziert dabei
die seitens des Verbrennungsmotors 10 in die Abgasanlage 14 eingetragenen
Querkräfte
und Biegemomente, das erfindungsgemäße Verbindungselement 22 entkoppelt
die seitens des Verbrennungsmotors 10 in die Abgasanlage 14 eingetragenen
Torsionsmomente vollständig.
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Die
Verwendung des erfindungsgemäßen Verbindungselements 22,
das nachfolgend näher
beschrieben wird, minimiert bzw. beseitigt die Übertragung von Torsionsschwingungen
seitens des Verbrennungsmotors 10 in die Abgasanlage, ohne
dass eine rechtwinklige Abgasanlagenführung oder die Verwendung mehrerer
Wellschläuche 18 notwendig wären, wodurch
das von der Abgasanlage 14 abgestrahlte Geräusch verringert
wird. Aufgrund der erheblich reduzierten Einbringung von Torsionsschwingungen
in die Abgasanlage 14 reduziert sich auch die Anregung
der Komponenten stromab des Verbindungselements 22, weshalb
die Aufhängung
der Abgasanlage 14 vereinfacht werden kann. Torsionskritische
Bauteile der Abgasanlage 14 können entlastet werden und Bauteilwandstärken können reduziert werden,
wodurch das Gewicht der Abgasanlage 14 verringert werden
kann.
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Obwohl
das Verbindungselement 22 hier ausschließlich in
Zusammenhang mit der Motor- und Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs
beschrieben ist, ist das Verbindungselement in gleicher Weise aber auch
allgemein zur Torsionsentkopplung zwischen einem eintrittsseitigen
Rohr und einem austrittsseitigen Rohr verwendbar.
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Bezug
nehmend auf 7 bis 9 werden nun
der Aufbau und die Funktionsweise eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
des Verbindungselements 22 der Erfindung im Detail beschrieben.
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Die
wesentlichen Bestandteile des Verbindungselements 20 sind
ein erstes kreisringförmiges Gleitelement 28,
ein zweites kreisringförmiges
Gleitelement 30 und wenigstens eine Federklammer 42. Wie
im Längsschnitt
von 7 dargestellt, sind die beiden Gleitelemente 28, 30 koaxial
zueinander angeordnet und im Längsschnitt
etwa L-förmig
ausgebildet, sodass eine am Innenumfang des ersten Gleitelements 28 verlaufende
radiale Gleitfläche 32 und eine
am Außenumfang
des zweiten Gleitelements 30 verlaufende radiale Gleitfläche 36 über einen
minimalen Spalt in Gleitkontakt zueinander stehen. Die beiden Gleitelemente 28, 30 oder
zumindest ihre radialen Gleitflächen 32, 36 sind
aus einem Material mit einem geringen Reibungskoeffizienten wie
beispielsweise Graphit oder Keramik gemacht.
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Das
erste Gleitelement 28 besitzt ferner eine axiale Gleitfläche 34,
die als ein Anschlag in axialer Richtung gegen eine axiale Gleitfläche 38 des
zweiten Gleitelements 30 wirkt.
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Das
erste Gleitelement 28 ist gasdicht und starr (verdrehwinkelfest
und formschlüssig)
mit dem eintrittsseitigen Rohr 24 verbunden. Das zweite
Gleitelement 30 ist ebenfalls gasdicht und starr (verdrehwinkelfest
und formschlüssig)
mit dem austrittsseitigen Rohr 26 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel von 7 bis 9 besitzen
die beiden Rohre 24, 26 einen im Wesentlichen
gleichen Durchmesser, sodass das erste und das zweite Gleitelement 28, 30 in jeweiligen
stirnseitigen Aufweitungsbereichen der Rohre 24, 26 gehalten
sind. Es ist aber ebenso möglich,
zwei Rohre 24, 26 mit unterschiedlichen Durchmessern
miteinander zu verbinden, wenn die zwei Gleitelemente 28, 30 entsprechend
bemessen und angeordnet werden.
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Vorzugsweise
wird das austrittsseitige Rohr 26 vom eintrittsseitigen
Rohr 24 umfasst, wie in 7 gezeigt,
sodass ein Eindringen von Staub und Schmutz in das Verbindungselement 20 bzw.
zwischen die beiden Gleitelemente 28, 30 verhindert werden
kann.
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Die
beiden Rohre 24, 26 lassen sich über die radialen
Gleitflächen 32, 36 der
beiden Gleitelemente 28, 30 relativ zueinander
um die Symmetrieachse des Verbindungselements 20 verdrehen
und in axialer Richtung gegen den Anschlag 34, 36 verschieben. In
axialer Richtung werden die beiden Gleitelemente 28, 30 bzw.
die beiden Rohre 24, 26 mittels mehrerer (in diesem
Beispiel vier) gleichmäßig über den
Umfang verteilter Federklammern 42 gegeneinander gedrückt und
fixiert. Die beiden Enden der Federklammern 42 sind vorzugsweise
abgerundet ausgeführt und
liegen zum Beispiel in entsprechenden Vertiefungen 44 in
den Rohren 24, 26, wie in 7 veranschaulicht.
Alternativ ist es auch denkbar, die Federklammern 42 direkt
an den Gleitelement 28, 30 zu fixieren.
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Wie
in der oberen Hälfte
von 7 angedeutet, weist das zweite Gleitelement 30 an
seiner radialen Gleitfläche 36 mehrere
umlaufende Nuten 40 auf. Alternativ oder zusätzlich kann
auch die radiale Gleitfläche 32 des
ersten Gleitelements 28 mit umlaufenden Nuten versehen
sein. Diese Nuten stellen im zusammengebauten Zustand des Verbindungselements 20 Wirbelkammern
einer Labyrinthdichtung dar und dichten zwischen den beiden Gleitelementen 28, 30 und
damit zwischen dem Rohrinnern und dem Rohräußern ab.
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Ferner
befindet sich zum Schutz der beiden Gleitelemente 28, 30 gegen
Hitze und direkten Kontakt mit dem Abgasstrom innerhalb des eintrittsseitigen
Rohrs 24 ein Innenrohr 46, das sich durch das Verbindungselement 20 hindurch
bis in das austrittsseitige Rohr 26 hinein erstreckt. Dieses
Innenrohr 46 ist gasdicht und starr (verdrehwinkelfest)
mit dem Innenumfang des eintrittsseitigen Rohrs 24 verbunden. Außerdem ist das
Innenrohr 46 so in dem Verbindungselement 20 angeordnet,
dass ein umlaufender, kreisringförmiger
Spalt 48 zwischen dem Innenrohr 46 einerseits
und den Gleitelementen 28, 30 und den Rohren 24, 26 andererseits
gebildet ist.
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Die
Funktionsweise des so aufgebauten Verbindungselements 20 ist
wie folgt.
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Werden
die beiden Rohre 24, 26 relativ zueinander um
die gemeinsame Symmetrieachse (Längsachse)
verdreht, gleiten die beiden Gleitelemente 28, 30 auf
ihren radialen Gleitflächen 32, 36 aufeinander.
In axialer Richtung werden die beiden Gleitelemente 28, 30 und
damit auch die beiden Rohre 24, 26 durch die Federklammern 42 gegeneinander
gedrückt,
wobei sich die beiden Gleitelemente 28, 30 an
ihren axialen Gleitflächen 34, 38 gegenseitig
abstützen.
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Durch
die Verdrehung stellen sich die Federklammern 42 relativ
zur Längsachse
schräg,
wie in 9 veranschaulicht. Die abgerundeten Enden der Federklammern 42 „wälzen" sich dabei in ihren
jeweiligen Vertiefungen 44 ab, in denen sie in den Rohren 24, 26 aufgenommen
sind.
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Mit
zunehmender relativer Verdrehung der beiden Rohre 24, 26 gegeneinander
um die Symmetrieachse und der damit verbundenen zunehmenden Schrägstellung
der Federklammern 42 wird der Abstand zwischen den beiden
Enden der Federklammern 42 vergrößert, sodass die Federklammern 42 aufgeweitet
bzw. gespannt werden. Drehen die beiden Rohre 24, 26 wieder
von der ausgelenkten Lage (9) in ihre
Ausgangslage (8) zurück, nimmt auch die Schrägstellung
der Federklammern 42 ab. Gleichzeitig sinkt die Spannung
innerhalb der Federklammern 42 wieder auf ihre Grundspannung
ab. Auf diese Weise wird durch die Federklammern 42 auch ein
gewisses Drehmoment erzeugt, welches das Verbindungselement 20 in
seine Ausgangslage vorspannt.
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Des
Weiteren wird je nach Einbauort des Verbindungselements 20 (vor
oder nach Katalysator und/oder Partikelfilter), Last- und Betriebszustand des
Verbrennungsmotors 10 und dergleichen an der Stelle des
Spalts 48 zwischen dem Innenrohr 46 und dem austrittsseitigen
Rohr 26 durch das hindurchströmende Abgas ein Druckabfall
erzeugt. Dieser Druckabfall verhindert im Verschleißfall ein
Ausströmen
von Abgasen durch das Verbindungselement 20 aus den Rohren 24, 26 heraus
und verbessert tendenziell die Wärmeisolation
des Verbindungselements durch Absenken des Wärmeübergangskoeffizienten.
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Die
Vorteile dieses Verbindungselements 20 sind wie folgt:
- (1) Das Verbindungselement minimiert bzw. beseitigt
eine Übertragung
von Torsionsschwingungen in Richtung der Symmetrieachse.
- (2) Das Verbindungselement 20 ist einfach und mit wenigen
Komponenten aufgebaut und damit leicht montierbar und kostengünstig herstellbar.
- (3) Aufgrund der hohen Steifigkeit gegen Querkraft und Biegung
in der Normalenrichtung zur Symmetrieachse bildet das Verbindungselement ein
selbsttragendes Entkoppelelement.
- (4) Aufgrund der sehr geringen Torsionssteifigkeit des Verbindungselements
wird das Einbringen von Torsionsschwingungen des Verbrennungsmotors 10 in
die Abgasanlage 14 erheblich reduziert. Durch diese reduzierte
Torsionsanregung der Fahrzeugkomponenten nach dem Verbindungselement 20 können die Aufhängungssysteme
vereinfacht, kritische Bauteile entlastet und Wandstärken von
Bauteilen verringert werden.
- (5) Die Abgasanlage 14 eines Kraftfahrzeugs kann über das
Verbindungselement 20 direkt und ohne Wellschläuche 18 mit
dem Abgaskrümmer 12 verbunden
werden, ohne dass eine rechtwinklige Abgasanlagenführung mit
mehreren Wellschläuchen
(siehe 6) erforderlich wäre.
- (6) Das erfindungsgemäße Verbindungselement 20 ist
insbesondere zum Ankoppeln von schwingungs- und geräuschkritischen
Abgasanlagen 14 an einen Verbrennungsmotor 10 von
Vorteil.
- (7) Durch den axialen Anschlag 34, 38 zwischen den
beiden Gleitelementen 28, 30 werden axiale Druckkräfte in Längsrichtung
des Verbindungselements 20 optimal übertragen, was evt. im Fall
eines Unfalls relevant sein kann.