DE102007062850A1 - Flexible and rigid pipeline elements connection element for e.g. exhaust gas line in passenger car, has layer between outer and inner pipes, and three balls limiting intermediate space and provided in layer - Google Patents

Flexible and rigid pipeline elements connection element for e.g. exhaust gas line in passenger car, has layer between outer and inner pipes, and three balls limiting intermediate space and provided in layer Download PDF

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Abstract

The element has a layer between outer and inner pipes (11, 12), where the connection element has torsional degree of freedom, and the layer is orthogonal to a rotation axis. Three balls (13) limiting an intermediate space are provided in the layer, and are made of steel material or ceramic material. A metal knitted fabric (14), a glass fiber fabric (15), and a ceramic woven fabric are positioned between the two pipe sections. A metal cage is inserted between the two pipe sections. The balls are fixedly attached to the metal cage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für flexible Leitungselemente. Mit derartigen Verbindungselementen werden flexible und starre Leitungselemente verbunden. Insbesondere sind die nachfolgend beschriebenen Verbindungselemente für den Einsatz in schwingungsbeanspruchten Rohrleitungen geeignet. Anwendungsbeispiele sind Abgasleitungen in Kraftfahrzeugen, vorzugsweise in Nutzfahrzeugen aber auch in Personenkraftwagen.The The invention relates to a connecting element for flexible Line elements. With such fasteners are flexible and rigid conduit elements connected. In particular, the following are described fasteners for use in vibration-stressed Suitable for pipelines. Application examples are exhaust pipes in motor vehicles, preferably in commercial vehicles but also in Passenger cars.

Die Aufgabe solcher Verbindungselemente besteht darin, einzelne Leitungselemente in 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 Verbindungelemente Verwendung finden.The The object of such fasteners is to individual line elements to connect in piping systems. An example of this is flexible piping elements that decouple vibrations and operating movements are integrated into exhaust pipes and to their connection in the piping described below Connection elements find use.

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 aus mehreren Bandlagen gewickelter 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 Schweißnaht in allen Freiheitsgraden mit dem Leitungselement verbunden.Due to the present and future demand for gas tightness in the passenger car sector, the connection ends of the flexible conduit elements are generally welded to the adjacent exhaust gas conduits. A metal bellows is often a module of such flexible conduit elements. In many cases, since the large diameter differences in the corrugations of the metal bellows can create turbulence, a metal hose wrapped in multiple tape layers is integrated into the conduit member to prevent the generation of vortices that may be generated in the bellows corrugations. DE 198 20 863 A1 shows an example of a flexible conduit element. In the area of the terminal ends of the inner metal tube and the outer metal bellows are processed by radial deformation such that a completely metallic contact between the outer circumference of the metal tube and the inner circumference of the metal bellows consists. In this area, a piece of pipe is then introduced and connected by a circumferential weld in all degrees of freedom with the line element.

In den Abgasleitungen von Nutzfahrzeugen treten aufgrund von Betriebsbewegungen, Einbaulage und geometrischer Anordnung vermehrt torsionale Verdrehungen 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 geeignet, 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.In the exhaust pipes of commercial vehicles occur due to operating movements, Installation position and geometric arrangement increase torsional distortions on, which must be compensated by flexible conduit elements. Here are often multi-layered, wound metal hoses made of profiled strip material used as a decoupling element. In particular for use in exhaust systems of commercial vehicles These are particularly suitable because they are unlike metal bellows large displacements in torsional direction without the construction can decouple from structural stresses. Your disadvantage however, the remaining residual leakage is.

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, die nicht nachbehandeltes Abgas aus dem System entweichen lässt, 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.There worldwide legal regulations pollutant emissions of Regulate Commercial Vehicles Significantly Down In The Future Exhaust systems are increasingly with after-treatment modules such. B. Equipped with particulate filters and SCR systems. A Remaining residual leakage, the non-treated exhaust gas from the System escapes, is only in limited Form allowed. The use of a metal bellows as a flexible and at the same time gastight line element is often difficult here, because the orthogonal to the rotation axis arranged bellows waves before especially in the torsional load case to large voltages and Voltage gradients in the metallic structure lead and thus limit the life of the conduit element.

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.A solution provided for compensating for larger torsional displacements consisting of two joined, helically corrugated or ring-corrugated metal bellows is disclosed in US Pat DE 198 24 095 C2 described. It provides for the use of at least two conventional metal bellows, which have a comparable torsional rigidity, so that axial, lateral and torsional displacements are distributed at a comparable height to the at least two metal bellows. Although a larger torsional angular displacement is thus possible, it does not result from a lower torsional rigidity of the individual components, but only from the path of the force flow over the entire decoupling element, which is doubled by the coaxial bellows arrangement. The load collective occurring in the operating state is still composed of axial, lateral and torsional displacements, which is not optimal from the point of view of operational stability.

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. DE 103 54 782 B3 shows a further embodiment of a specially suitable for torsional displacements decoupling element. It consists of at least two exhaust gas-carrying, bellows-like components, which are arranged with an axial offset parallel to the axis or skewed to the tube axis of the adjacent conduit system, that the torsional displacements to be compensated by the bellows-like geometries are kept negligibly small. The disadvantage here is that the exhaust stream must be shared.

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.in the optimal case should not be divided by the conduit element Exhaust flow take place. Furthermore, it is advantageous to the torsional To eliminate shifts from the load collective of the metal bellows.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es daher ein Verbindungselement 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.The main object of the invention is therefore to provide a connecting element that keeps negligibly small the torsional displacements to be compensated by gas-tight, bellows-type geometries. The entire load collective for the bellows-like geometries to be used thus reduces to axial and lateral displacements. In this way, a simplified design of the line element is made possible and, above all, a significantly increased service life is achieved.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Realisierung einer axialen Verschiebemöglichkeit im Bereich des Verbindungselements. Diese ist für den Ausgleich der Einbautoleranzen erforderlich, damit angrenzende flexible, balgartige Elemente in ihrer spannungsfreien Mittellage eingebaut werden können.A Another object of the invention is the realization of an axial Displacement possibility in the area of the connecting element. This is necessary for the compensation of installation tolerances, thus adjoining flexible, bellows-like elements in their tension-free Central position can be installed.

Die Hauptaufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad besteht nach 1 aus einem Innenrohr (11) und einem Außenrohr (12). Das Innenrohr weist im Endbereich einen axialen Anschlag (111) auf. Angrenzend daran werden Kugeln (13) am Umfang verteilt. Ferner folgen in axialer Richtung ein Metallgestricke (14), ein Glasfasergewebe (15), welches mit PE-Fäden in seinem Volumen zunächst reduziert ist, ein weiteres Metallgestricke (14), eine weitere Kugelpackung (13) sowie eine axiale Begrenzung (16), die beispielsweise mit einer Schweißnaht (17) oder aber mit einer Anzahl einzelner Schweißpunkte am Umfang fixiert ist. Die beiden Kugelpackungen (13) enthalten vorzugsweise Stahlkugeln oder Keramikkugeln. Sie sollen ein Verkippen der beiden Rohrstücke (11, 12) zueinander und ein damit einhergehendes Abflachen der Dichtungselemente im Kantenbereich vermeiden. Ferner sollen sie die torsionale Verdrehung des Verbindungselements unter einem geringen Kraftaufwand für lange Zeit sicherstellen. Die beiden Metallgestricke (14) begrenzen das Glasfasergewebe (15) in seiner axialen Ausdehnung. Diese ist zunächst mit PE-Fäden verstrickt und dadurch in seinem Volumen begrenzt. Nach dem Zusammenbau des Verbindungselements bringt eine Erwärmung die PE-Fäden zum Schmelzen. Das Glasfasergewebe (15) dehnt sich aus und erzeugt auf diese Weise eine bessere Dichtwirkung im Zusammenbau.The main object is achieved by the features of claim 1. The connecting element with torsional degree of freedom persists 1 from an inner tube ( 11 ) and an outer tube ( 12 ). The inner tube has an axial stop in the end region ( 111 ) on. Adjacent to it are balls ( 13 ) distributed around the circumference. Furthermore follow in the axial direction of a metal knit ( 14 ), a glass fiber fabric ( 15 ), which is initially reduced in volume with PE threads, another metal knit ( 14 ), another ball packing ( 13 ) and an axial limit ( 16 ), for example, with a weld ( 17 ) or fixed with a number of individual welds on the circumference. The two ball packs ( 13 ) preferably contain steel balls or ceramic balls. You should a tilting of the two pieces of pipe ( 11 . 12 ) and a concomitant flattening of the sealing elements in the edge region avoid. Furthermore, they should ensure the torsional twisting of the connecting element with little effort for a long time. The two metal knits ( 14 ) limit the glass fiber fabric ( 15 ) in its axial extent. This is initially entangled with PE threads and thus limited in its volume. After assembling the fastener, heating causes the PE filaments to melt. The glass fiber fabric ( 15 ) expands, thus creating a better sealing effect in the assembly.

Die weitere Aufgabe der Erfindung, die Realisierung einer axialen Verschiebemöglichkeit, ist durch die Ausführung in 1 zwischen den beiden Rohrstücken 11 und 12 gegeben.The further object of the invention, the realization of an axial displacement possibility, by the execution in 1 between the two pipe sections 11 and 12 given.

2 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform des Verbindungselements, bei der nur das Glasfasergewebe (15) ohne die beiden Metallgestricke vorhanden ist. 2 shows a simplified embodiment of the connecting element, in which only the glass fiber fabric ( 15 ) is present without the two metal knits.

In 3 weist das außen liegende Rohrstück (12) eine in tangentialer Richtung verlaufende Aussparung (121) auf. In diese Aussparung kann nach erfolgter Montage und Einstellung der Position ein axialer Begrenzer, wie z. B. ein runder Metallstift, eingebracht werden. Wenn der Begrenzer mit dem Innenrohr (11) fest verbunden ist, kann sich das Verbindungselement im Betrieb nur noch torsional, aber nicht mehr axial bewegen.In 3 has the outer pipe section ( 12 ) a recess extending in the tangential direction ( 121 ) on. In this recess, after completion of assembly and adjustment of the position of an axial limiter, such. B. a round metal pin can be introduced. If the limiter with the inner tube ( 11 ) is firmly connected, the connecting element in operation can only torsional, but no longer move axially.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform bei der die Kugeln (13) direkt ortsfest im Metall- bzw. Gewebe-Gestricke (41) eingebracht sind. Diese Anordnung minimiert die am Umfang erforderliche Anzahl von Kugeln und vereinfacht die Montage des Verbindungselements. 4 shows a further embodiment in which the balls ( 13 ) directly fixed in the metal or woven knitted fabric ( 41 ) are introduced. This arrangement minimizes the circumferentially required number of balls and simplifies the assembly of the connecting element.

In 5 werden mehrfach am Umfang Federn (53) montiert. Diese wirken axial und spannen den aus Kugeln, Metallgestricken und Glasfasergeweben bestehenden Zusammenbau vor. So wird eine bleibende axiale Bewegungsmöglichkeit vorgesehen. Die am Umfang verteilten Federn erzeugen die für eine definierte Nulllage erforderlichen Rückstellkräfte.In 5 are several times on the circumference springs ( 53 ) assembled. These act axially and stretch the existing of balls, metal knits and fiberglass fabrics assembly. Thus, a permanent axial movement possibility is provided. The springs distributed around the circumference produce the restoring forces required for a defined zero position.

Die Ausführungsform in 6 zeigt einen axialen Begrenzer (63), der mit dem äußeren Rohr (12) fest verbunden ist. Diese Ausführungsform lässt keine axialen Wege zu, so dass lediglich die torsionale Beweglichkeit verbleibt.The embodiment in 6 shows an axial limiter ( 63 ) connected to the outer tube ( 12 ) is firmly connected. This embodiment does not allow any axial paths, so that only the torsional mobility remains.

Weitere Varianten der beschriebenen Anschlussenden sind realisierbar und basieren auf dem beschriebenen Grundkonzept.Further Variants of the connection ends described can be realized and are based on the described basic concept.

Dabei können die gezeigten Zeichnungspositionen 14, 15, 41, 52, 61 und 62 auch aus den folgenden Materialien in beliebiger Kombination bestehen:

  • • Gestrickte und gepresste Elemente aus Edelstahl-, Graphit-, Keramik- oder (E-, Silika-, Quarz-)Glasfasern.
  • • Gestrickte und gepresste Elemente aus Edelstahl-, Graphit-, Keramik- oder (E-, Silika-, Quarz-)Glasfasern 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.
The drawing positions shown can be 14 . 15 . 41 . 52 . 61 and 62 also consist of the following materials in any combination:
  • • Knitted and pressed elements made of stainless steel, graphite, ceramic or (E, silica, quartz) glass fibers.
  • • Knitted and pressed elements made of stainless steel, graphite, ceramic or (E, silica, quartz) glass fibers and absorbent fibers, which are dipped in a liquid to create a graphite attachment.
  • • Precursor-coated fabric in which the base material is alumina.
  • • Precursor-coated fabric in which the base material is vitreous.
  • • A preceramic polymer in solid, gelatinous or foamy consistency.
  • • Metal coated with temperature-resistant sliding material.
  • • Metal coated with preceramic polymers.
  • • Fiber reinforced graphite tape.

Ebenso Kombinationen aus den genannten Zwischenstoffen können für spezielle Anwendungsfälle besonders geeignet sein.As well Combinations of the mentioned intermediates can especially suitable for special applications be.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - DE 19824095 C2 [0006] - DE 19824095 C2 [0006]
  • - DE 10354782 B3 [0007] - DE 10354782 B3 [0007]

Claims (12)

Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad, dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen einem außen liegenden und einem innen liegenden Rohrstück mindestens eine orthogonal zur Rotationsachse stehende Ebene aufweist, in der mindestens drei den Zwischenraum begrenzenden Kugeln liegen.Connecting element with torsional degree of freedom, characterized in that it has at least one plane orthogonal to the axis of rotation between an outer and an inner tube piece in which lie at least three balls bounding the gap. Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad, dadurch gekennzeichnet, dass zwei orthogonal zur Rotationsachse liegende Ebenen, die einen endlichen axialen Abstand zueinander haben, mit Kugeln besetzt sind.Connecting element with torsional degree of freedom, characterized in that two orthogonal to the axis of rotation lying planes that have a finite axial distance from each other have been occupied with bullets. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die enthaltenen Kugeln aus dem Werkstoff Stahl sind.Connecting element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the balls contained in the material steel are. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die enthaltenen Kugeln aus einem keramischen Werkstoff bestehen.Connecting element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the balls contained a ceramic Material exist. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Rohrstücken mindestens ein Metallgestricke enthalten ist.Connecting element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that between the two pipe sections at least a metal knit is included. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Rohrstücken mindestens ein Glasfasergewebe enthalten ist.Connecting element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that between the two pipe sections at least a glass fiber fabric is included. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Rohrstücken mindestens ein Keramikfasergewebe enthalten ist.Connecting element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that between the two pipe sections at least a ceramic fiber fabric is included. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzelement den axialen Weg zwischen innen liegendem und außen liegendem Rohrstück begrenzt. Connecting element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that an additional element the axial path between inside and outside lying pipe section limited. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Rohrstücken ein Metallgestricke eingebracht ist, in dem Kugeln ortsfest gebunden sind.Connecting element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that between the two pipe sections a Metallgestricke is introduced, bound in the balls stationary are. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Rohrstücken ein Metallkäfig eingebracht ist, in dem Kugeln ortsfest gebunden sind.Connecting element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that between the two pipe sections a Metal cage is introduced, bound in the balls stationary are. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Rohrstücken ein Glasfasergestricke eingebracht ist, in dem Kugeln ortsfest gebunden sind.Connecting element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that between the two pipe sections a Glasfasergestricke is introduced, bound in the balls stationary are. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Rohrstücken ein Keramikgestricke eingebracht ist, in dem Kugeln ortsfest gebunden sind.Connecting element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that between the two pipe sections a Ceramic knit is introduced, bound in the balls stationary are.
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