DE102007036453A1

DE102007036453A1 - Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102007036453A1
Application number: DE102007036453A
Authority: DE
Inventors: Matthias Weiss; Karl-Heinz MÜNKER; Dietmar Baumhoff; Oliver Dipl.-Ing. Selter; Stefan Dr. Ing. Hauk; Andreas Gerhard; Karsten Dipl.-Ing. Schenk
Original assignee: Westfalia Metallschlauchtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Westfalia Metallschlauchtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2007-08-01
Publication date: 2009-02-05
Also published as: DE102008014144A1

Abstract

Es wird ein Anschlussende für Leitungselemente beschrieben, welches einen torsionalen Freiheitsgrad besitzt. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens einem innen liegenden Rohrstück, mindestens einem außen liegenden Rohrstück sowie aus mindestens einem Zwischenstoff besteht, wobei das innen liegende Rohrstück und das außen liegende Rohrstück an ihren zylindrischen Konturen Nebenformelemente aufweisen, die eine in radiale und axiale Richtung formschlüssige Verbindung erzeugen und in torsionaler Richtung einen Freiheitsgrad haben. Das Verfahren zur Herstellung sieht mindestens ein bereits in Endkontur vorliegendes äußeres Rohrstück vor. Dies wird mit mindestens einem zylindrischen inneren Rohrstück sowie mit mindestens einem Zwischenstoff durch eine Vorrichtung zueinander axial positioniert. Anschließend werden die zueinander positionierten Teile durch ein radial von innen wirkendes Werkzeug gemeinsam in die Endkontur umgeformt.

Description

Die Erfindung betrifft das Anschlussende eines Leitungselements für schwingungsbeanspruchte Rohrleitungen und die Abgasleitungen in Kraftfahrzeugen, vorzugsweise in Nutzfahrzeugen aber auch in Personenkraftwagen. Die Aufgabe solcher Anschlussenden besteht darin, einzelne Leitungselemente mit Rohrleitungs-Systemen zu verbinden. Ein Beispiel dafür sind flexible Leitungselemente, die zur Entkopplung von Schwingungen und Betriebsbewegungen in Abgasleitungen integriert werden und zu deren Anschluss in den Rohrleitungen die im folgenden beschriebenen Anschlussenden Verwendung finden.
Aufgrund der im PKW-Bereich gegenwärtigen und zukünftigen Forderung nach Gasdichtheit werden die Anschlussenden der flexiblen Leitungselemente in der Regel mit den angrenzenden Abgasleitungen verschweißt. Ein Metallbalg ist hier oftmals ein Modul solcher flexiblen Leitungselemente. Da die großen Durchmesserunterschiede in den Wellungen des Metallbalgs Turbulenzen erzeugen können, wird in vielen Fällen ein Metallschlauch in das Leitungselement integriert, um die Erzeugung von Wirbeln, die in den Balgwellungen entstehen können, zu vermeiden. DE 198 20 863 A1 zeigt beispielhaft ein flexibles Leitungselement. Im Bereich der Anschlussenden werden der innen liegende Metallschlauch und der außen liegende Metallbalg durch radiale Umformung derart bearbeitet, dass ein vollständig metallischer Kontakt zwischen dem Außenumfang des Metallschlauchs und dem Innenumfang des Metallbalgs besteht. In diesen Bereich wird anschließend ein Rohrstück eingeführt und durch eine umlaufende Verschweißung in allen Freiheitsgraden mit dem Leitungselement verbunden.
In den Abgasleitungen von Nutzfahrzeugen treten aufgrund von Betriebsbewegungen, Einbaulage und geometrischer Anordnung vermehrt torsionale Verschiebungen auf, die von flexiblen Leitungselementen kompensiert werden müssen. Hier werden oftmals mehrlagige, gewickelte Metallschläuche aus profiliertem Bandmaterial als Entkopplungselement eingesetzt. Insbesondere für den Einsatz in Abgasanlagen von Nutzfahrzeugen sind diese besonders geeig net, da sie, im Gegensatz zu Metallbälgen, große Verschiebungen in torsionaler Richtung ohne den Aufbau von Strukturspannungen entkoppeln können. Ihr Nachteil jedoch ist die verbleibende Restleckage.
Da weltweite gesetzliche Vorschriften den Schadstoff-Ausstoß von Nutzfahrzeugen zukünftig deutlich nach unten regulieren, werden Abgasanlagen vermehrt mit Nachbehandlungsmodulen wie z. B. Rußpartikel-Filtern und SCR-Systemen ausgestattet. Eine verbleibende Restleckage, durch die nicht nachbehandeltes Abgas aus dem System entweichen kann, ist nur noch in eingeschränkter Form zulässig. Der Einsatz eines Metallbalgs als flexibles und zugleich gasdichtes Leitungselement ist hier oftmals schwierig, da die orthogonal zur Rotationsachse angeordneten Balgwellen vor allem im torsionalen Lastfall zu großen Spannungen und Spannungsgradienten in der metallischen Struktur führen und somit die Lebensdauer des Leitungselements begrenzen.
Eine zur Kompensation größerer Torsionsverschiebungen vorgesehene Lösung, die aus zwei zusammengefügten, wendelgewellten oder ringgewellten Metallbälgen besteht, wird in DE 198 24 095 C2 beschrieben. Sie sieht die Verwendung mindestens zweier konventioneller Metallbälge vor, die eine vergleichbare Torsionssteifigkeit aufweisen, so dass axiale, laterale und torsionale Verschiebungen in vergleichbarer Höhe auf die mindestens zwei Metallbälge verteilt werden. Eine größere torsionale Winkelverschiebung ist somit zwar möglich, sie ergibt sich jedoch nicht aus einer geringeren Torsionssteifigkeit der einzelnen Komponenten, sondern lediglich aus dem durch die koaxiale Balganordnung verdoppelten Weg des Kraftflusses über das gesamte Entkopplungselement. Das im Betriebszustand auftretende Belastungskollektiv setzt sich nach wie vor aus axialen, lateralen und torsionalen Verschiebungen zusammen, was unter dem Gesichtspunkt der Betriebsfestigkeit noch nicht optimal ist.
DE 103 54 782 B3 zeigt eine weitere Ausführung eines speziell für torsionale Verschiebungen geeigneten Entkopplungselements. Es besteht aus mindestens zwei abgasführenden, balgartigen Komponenten, die derart mit einem axialen Versatz achsparallel oder windschief zur Rohrachse des angrenzenden Leitungssystems angeordnet sind, dass die von den balgartigen Geometrien zu kompensierenden torsionalen Verschiebungen vernachlässigbar klein gehalten werden. Nachteilig hierbei ist, dass der Abgasstrom geteilt werden muss.
Im optimalen Fall sollte durch das Leitungselement keine Teilung des Abgasstroms erfolgen. Weiterhin ist es vorteilhaft, die torsionalen Verschiebungen aus dem Belastungskollektiv des Metallbalgs zu eliminieren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Anschlussende bereitzustellen, dass die von gasdichten, balgartigen Geometrien zu kompensierenden torsionalen Verschiebungen vernachlässigbar klein hält. Das gesamte Belastungskollektiv für die einzusetzenden balgartigen Geometrien reduziert sich somit auf axiale und laterale Verschiebungen. Auf diese Weise wird eine vereinfache Auslegung des Leitungselements ermöglicht und vor allem eine deutlich gesteigerte Lebensdauer erzielt. Die Definition eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Anschlussendes ist weitere Aufgabe der Erfindung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie im Hinblick auf das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. Dazu wird das Anschlussende aus mindestens zwei Rohrstücken zusammengesetzt. Dabei ist der Außendurchmesser des innen liegenden Rohrstücks kleiner als der Innendurchmesser des außen liegenden Rohrstücks. Beide Rohrstücke weisen im Zusammenbau umformtechnisch erzeugte Hinterschneidungen auf, so dass eine formschlüssige Verbindung in axialer und radialer Richtung sowie ein Freiheitsgrad in torsionaler Richtung vorliegt.
Im Bereich der Kontaktflächen zwischen innen liegendem und außen liegendem Rohrstück befindet sich vorzugsweise ein Zwischenstoff, der sowohl eine dichtende Wirkung als auch Gleiteigenschaften aufweist. Dieser Aufbau ermöglicht eine torsionale Verschiebung unter Durchströmung in Verbindung mit einer minimalen Restleckage. Alternativ können zu dem einen Zwischenstoff auch mehrere unterschiedliche Zwischenstoffe vorliegen, die jeweils die Dichtfunktion oder die Gleitfunktion übernehmen. Diese Zwischenstoffe können entsprechend ihrer Funktion fest und spröde, duktil, gelartig oder flüssig sein.
Folgende Zwischenstoffe sind beispielhaft, jedoch in der Aufzählung nicht abschließend für den Anwendungsfall geeignet:

• Gestrickte und gepresste Elemente aus Edelstahlfasern und Graphitfasern.
• Gestrickte und gepresste Elemente aus Edelstahlfasern und saugfähigen Fasern, an denen durch Tauchen in eine Flüssigkeit eine Graphit-Anlagerung erzeugt wird.
• Precursorbeschichtetes Gewebe, bei dem der Grundwerkstoff Aluminiumoxid ist.
• Precursorbeschichtetes Gewebe, bei dem der Grundwerkstoff glasartig ist.
• Ein präkeramisches Polymer in fester, gelartiger oder schaumförmiger Konsistenz.
• Mit temperaturbeständigem Gleitwerkstoff beschichtetes Metall.
• Mit präkeramischen Polymeren beschichtetes Metall.
• Faserverstärktes Graphitband.

Ebenso Kombinationen aus den genannten Zwischenstoffen können für spezielle Anwendungsfälle besonders geeignet sein.
Die Hinterschneidungen sowie die geometrische Anordnung des Zwischenstoffs können eine unterschiedliche Gestalt aufweisen, wie in den 1 bis 6 beispielhaft, jedoch nicht abschließend gezeigt wird.
1 zeigt ein System aus innen liegendem Rohr (11), außen liegendem Rohr (12) und Zwischenstoff (13), bei dem die Hinterschneidung zwischen den beiden Rohrstücken Radien R1, R2 aufweist. Diese sind vorzugsweise gleich oder weisen jedoch in Abhängigkeit von Einbaulage und Funktion auch unterschiedliche Werte auf. Neben dem torsionalen Freiheitsgrad können durch diese Konfiguration auch Winkelabweichungen zwischen den Achsen der zu verbindenden Rohre ausgeglichen werden. In den Endbereichen 111 und 121 werden die zu verbindenden Rohre angebunden. Diese Anbindung kann z. B. formschlüssig durch eine umlaufende Schweißnaht erfolgen. Ferner besteht die Möglichkeit, die Bereiche 111 und 121 umformtechnisch derart zu bearbeiten, dass beliebige, V- oder kugelförmige Anschlussgeometrien entstehen, wie sie im Rohrleitungsbau üblich sind.
2 zeigt ein System aus innen liegendem Rohr (21), außen liegendem Rohr (22) und Zwischenstoff (23), bei dem die Hinterschneidung zwischen den beiden Rohrstücken eine Winkelstellung aufweist. Die entstehenden Flankenwinkel α, β sind vorzugsweise gleich, können jedoch in Abhängigkeit von Einbaulage und Funktion auch unterschiedliche Werte aufweisen.
3 zeigt ein System aus innen liegendem Rohr (31), außen liegendem Rohr (32) und Zwischenstoff (33), bei dem die Hinterschneidung eine wellenförmige Geometrie aufweist. Ziel ist hierbei, eine möglichst große Kontaktfläche zwischen 31, 32 und 33 zu erzielen. Flächenpressungen im Bereich des Zwischenstoffs werden so minimiert, wobei auf diese Weise eine große Torsionsweichheit und gleichwohl eine hohe Dichtwirkung in der Verbindung erzielt wird.
4 zeigt ein System aus innen liegendem Rohr (41), außen liegendem Rohr (42) sowie den Zwischenstoffen 43, 44 und 45. Durch diese drei Zwischenstoffe kann eine Aufteilung der Funktionen erfolgen. Beispielhaft können die Zwischenstoffe 43 und 44 die Gleiteigenschaften für die torsionale Bewegung bereitstellen und der Zwischenstoff 45 erzeugt die Dichtwirkung. Die Öffnung 421 am außen liegenden Rohrstück 42 ist gasdicht verschliessbar. Sie dient zu Fertigungszwecken, hier speziell zum Einspritzen des Dichtungswerkstoffs 45 nach der erfolgten Montage der anderen Bauteile des Anschlussendes. Ein geeigneter Dichtungswerkstoff für solch eine Anwendung kann beispielsweise ein hochgefüllter Precursor-Werkstoff sein.
5 zeigt ein System aus innen liegendem Rohr (51), außen liegendem Rohr (52) und Zwischenstoff (53), bei dem die Hinterschneidungen zwischen den beiden Rohrstücken in den Außenbereichen von 511 und 512 keinen metallischen Kontakt zum außen liegenden Rohrstück haben. Auf diese Weise entsteht kein radialer Kontakt zwischen den Rohrstücken. Die radiale Beweglichkeit des innen liegenden Rohres gegenüber dem außen liegenden wird allein durch 53 begrenzt. Im axialen Bereich entsteht durch den Luftspalt ein Spiel. In diesem kann sich das innere Rohr bewegen, bis es zum metallischen Kontakt mit dem außen liegenden Rohr kommt, welches die axiale Bewegung begrenzt.
6 zeigt ein System aus innen liegendem Rohr (61), außen liegendem Rohr (62) und Zwischenstoffen (63, 64), bei dem keine Hinterschneidungen zwischen den beiden Rohrstücken vorhanden sind. Die axiale und radiale Fixierung wird hier durch die Zwischenstoffe 63 und 64 erzielt, welche zur Erfüllung dieser Anforderung eine ausreichende Steifigkeit in axialer und radialer Richtung besitzen müssen. Vorzugsweise können hier mit Gleitwerkstoffen beschichtete Metallringe Einsatz finden.
Weitere Varianten der beschriebenen Anschlussenden sind denkbar und basieren auf dem Grundkonzept, welches den torsionalen Freiheitsgrad ermöglicht, den axialen und radialen jedoch sperrt.
Die Definition eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Anschlussendes ist weitere Aufgabe der Erfindung. Kern der Aufgabe ist die Erzeugung der Hinterschneidungen, die an den zylindrischen Konturen durch Nebenformelemente entstehen. Dazu wird das später außen liegende Rohrstück zunächst allein in ein Aufweitwerkzeug, das vorzugsweise mit mindestens sechs am Umfang verteilten und konturierten Expander-Segmenten bestückt ist, radial von innen nach außen umgeformt. Das bereits in seiner Endkontur vorliegende äußere Rohrstück und das noch zylindrische innere werden danach ineinander geschoben. Die mindestens zwei Rohrstücke werden axial zueinander positioniert und in ihrer Trennfuge mit den Zwischenstoffen bestückt. Nach dem Positionieren erfolgt das Einlegen in ein Aufweitwerkzeug, das vorzugsweise mit mindestens sechs am Umfang verteilten und konturierten Expander-Segmenten die vorpositionierten Bauteile entweder radial von innen nach außen oder von außen nach innen umformen kann.
Vorzugsweise erfolgt die Bearbeitung mechanisch und inkrementell, wobei Innenwerkzeuge und Außenwerkzeuge durch insgesamt in bis zu mehreren Hundert aufeinander abfolgenden Einzelschritten alle im Zusammenbau enthaltenen Elemente gleichzeitig bearbeiten.
In einer Verfahrensvariante wird nach der beschriebenen umformtechnischen Bearbeitung ein Dichtungswerkstoff über eine vorzugsweise im äußeren Rohrstück liegende Bohrung eingespritzt.
Eine weitere Verfahrensvariante sieht zunächst die Umformung für das innen liegende und das außen liegende Rohrstück vor. In einem darauf folgenden Schritt wird ein Dichtungswerkstoff in den dafür vorgesehenen Bereich der vorgeformten und zueinander positionierten Rohrstücke durch eine axiale Werkzeugbewegung sowie mittels einer geeigneten Vorrichtung eingeschoben.
Neben der Anformung der Hinterschneidungen durch mechanische, segmentierte Expansionswerkzeuge ist mit dem Hydro-Umformen eine weitere Verfahrens-Alternative zum Erzeugen solcher Bauteile gegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19820863 A1 [0002]
- DE 19824095 C2 [0005]
- DE 10354782 B3 [0006]

Claims

Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens einem innen liegenden Rohrstück, mindestens einem außen liegenden Rohrstück sowie aus mindestens einem Zwischenstoff besteht, wobei das innen liegende Rohrstück und das außen liegende Rohrstück an ihren zylindrischen Konturen Nebenformelemente aufweisen, die eine in radiale und axiale Richtung formschlüssige Verbindung erzeugen und in torsionaler Richtung einen Freiheitsgrad haben.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem innen liegenden Rohrstück, einem außen liegenden Rohrstück sowie aus einem Zwischenstoff besteht, wobei das innen liegende Rohrstück und das außen liegende Rohrstück an ihren zylindrischen Konturen Nebenformelemente aufweisen, die eine in radiale und axiale Richtung formschlüssige Verbindung erzeugen und in torsionaler Richtung einen Freiheitsgrad haben.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem innen liegenden Rohrstück, einem außen liegenden Rohrstück sowie aus zwei unterschiedlichen Zwischenstoffen besteht, wobei das innen liegende Rohrstück und das außen liegende Rohrstück an ihren zylindrischen Konturen Nebenformelemente aufweisen, die eine in radiale und axiale Richtung formschlüssige Verbindung erzeugen und in torsionaler Richtung einen Freiheitsgrad haben.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei unterschiedliche Zwischenstoffen beinhaltet, wobei gemäß einer Funktionstrennung ein Zwischenstoff die torsionalen Gleiteigenschaften und der zweite die Dichtwirkung bereitstellt.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unterschiedliche Zwischenstoffe jeweils mehrfach in der Trennebene zwischen innen liegendem und außen liegendem Rohrstück angeordnet sind.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff ein gestricktes und gepresstes Element aus Edelstahlfasern und Graphitfasern ist.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff ein gestricktes und gepresstes Element aus Edelstahlfasern und saugfähigen Fasern ist, und durch das Tauchen in eine Flüssigkeit seine Gleiteigenschaften optimiert worden sind.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff ein precursorbeschichtetes Gewebe mit dem Grundwerkstoff Aluminiumoxid ist.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff ein precursorbeschichtetes Gewebe mit einem glasartigen Grundwerkstoff ist.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff ein präkeramisches Polymer in fester, gelartiger oder schaumförmiger Konsistenz ist.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff ein mit temperaturbeständigem Gleitwerkstoff beschichteter Metallring ist.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff ein mit präkeramischen Polymeren beschichteter Metallring ist.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff ein keramisch beschichteter Metallring ist.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenstoff ein faserverstärktes Graphitband ist.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach den Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es in der Einbausituation mit ei nem flexiblen Leitungselement formschlüssig, kraftschlüssig oder reibschlüssig verbunden wird.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Leitungselement ein Metallbalg ist.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Leitungselement ein aus mehreren Bandlagen gewickelter Metallschlauch ist.
Anschlussende mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Leitungselement im Außenbereich schraubengangförmig ist.
Verfahren zur Herstellung eines Anschlussendes mit torsionalem Freiheitsgrad, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein bereits in Endkontur vorliegendes äußeres Rohrstück, mindestens ein zylindrisches inneres Rohrstück sowie mindestens ein Zwischenstoff durch eine Vorrichtung zueinander axial positioniert und anschließend durch ein radial von innen wirkendes Werkzeug gemeinsam in die Endkontur umgeformt werden.