DE102008014145A1

DE102008014145A1 - Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad

Info

Publication number: DE102008014145A1
Application number: DE102008014145A
Authority: DE
Inventors: 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: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2009-09-17

Abstract

Ein Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem außen liegenden und einem innen liegenden Rohrstück mindestens ein Dichtelement sowie ein Torsionsfreiheitsgrad vorhanden ist und die axiale Position der Rohrstücke zueinander formschlüssig oder reibschlüssig in Stufen oder stufenlos verstellt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad 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.
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 Verbindungselemente Verwendung finden.
Aufgrund der im PKW-Bereich gegenwärtigen 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.
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 torsionale Bewegungen 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, 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.
Eine zur Kompensation größerer Torsionsbewegungen 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 Bewegungen in vergleichbarer Höhe auf die Metallbälge verteilt werden. Eine größere torsionale Verdrehung 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 Bewegungen zusammen, was unter dem Gesichtspunkt der Betriebsfestigkeit nicht optimal ist.
DE 103 54 782 B3 zeigt eine weitere Ausführung eines speziell für torsionale Bewegungen 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 Bewegungen vernachlässigbar klein gehalten werden. Nachteilig hierbei ist, dass der Abgasstrom geteilt werden muss.
Im bestmöglichen Fall sollte durch das Leitungselement keine Teilung des Abgasstroms erfolgen. Weiterhin ist es vorteilhaft, eine spannungsfreie Einbaulage des Leitungselements zu erzeugen sowie die torsionalen Betriebsbewegungen aus dem Belastungskollektiv des Metallbalgs zu eliminieren.
Hauptaufgabe der Erfindung ist die Realisierung einer axialen Verschiebemöglichkeit im Bereich des Verbindungselements, welche einen spannungsfreien Einbau des Leitungselements in ein Rohrleitungssystem sicherstellt. Ferner soll das Verbindungselement die von gasdichten, balgartigen Geometrien zu kompensierenden torsionalen Bewegungen vernachlässigbar klein halten.
Das gesamte Belastungskollektiv für die einzusetzenden balgartigen Geometrien reduziert sich somit auf axiale und laterale Verschiebungen, die von einer nicht vorgespannten balgartigen Struktur während des Betriebs zu kompensieren sind. Auf diese Weise wird eine vereinfache Auslegung des Leitungselements ermöglicht und vor allem eine deutlich gesteigerte Lebensdauer erzielt.
Die Hauptaufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Verbindungselement besteht nach 1 aus einem Innenrohr (11) und einem Außenrohr (12). Das Innenrohr weist im Mittenbereich (111) mehrere ringförmige Sicken auf, die orthogonal zur Rotationsachse angeformt sind. Weiterhin ist die äußere Oberfläche des Innenrohrs in einem längeren axialen Bereich (112) als Kontaktfläche für ein Dichtelement ausgebildet. Die axiale Länge der Kontaktfläche ist dabei mindestens genauso groß wie die Gesamtlänge der ringförmigen Sicken. Das Außenrohr (12) besitzt mindestens eine ringförmige, radial nach außen gerichtete Sicke (121), welche vorzugsweise eine ähnliche Geometrie aufweist wie die ringförmigen Sicken am Innenrohr. Außerdem befindet sich am Außenrohr eine Aufnahme (122) für Dichtelemente, die eine axial zum Außenrohr fixierte Einbaulage der Dichtelemente vorsieht. Am Außenrohr befindet sich weiterhin ein vorzugsweise ovales Loch (13). Während dem Einbau können somit die Rohre (11) und (12) zueinander axial positioniert und im Rasterabstand der ringförmigen Sicken am Innenrohr zueinander fixiert werden. Die Fixierung ist formschlüssig und kann beispielsweise durch das Einführen eines Drahtes (14) durch die Öffnung (13) erzeugt werden. Der Draht wird in den von (11) und (12) gebildeten, ringförmigen Hohlraum eingebracht und liegt vorzugsweise am gesamten Umfang an. Alternativ zu dem Draht (14) kann der Formschluss auch durch andere Elemente, wie z. B. einer Schraubenfeder, erzeugt werden.
2 zeigt eine alternative Ausführung. Wiederum stehen ein Innenrohr (21) und ein Außenrohr (22) über einen Dichtungsbereich (222) miteinander in Kontakt. Das Außenrohr (22) ist über eine mit mindestens zwei radial angeordneten Montageöffnungen (26) versehene Brücke (24) mit einem Ring (23) verbunden. Einzelne Brückenelemente (24) werden dazu in diskreten Längen vorzugsweise drei bis viermal am Umfang angeordnet. Der axiale Abstand zwischen (23) und (22) ist so gewählt, dass eine Rohrschelle (25) bündig zwischen einem dämpfendem Metallgestrickekissen (27) und der Innenrohrkante anliegt. Auf diese Weise wird eine stufenlose axiale Voreinstellung der Rohrelemente (21) und (22) zueinander erzeugt. Die Schelle (25) wird reibschlüssig mit dem Rohr (21) und dem Metallgestrickekissen (27) verbunden und fixiert die axiale Position der Baugruppe.
Beide Varianten (1 und 2) ermöglichen gleichermaßen eine axiale Einstellbarkeit, eine axiale Fixierung sowie einen im Einbauzustand stets vorhandenen torsionalen Freiheitsgrad.
Weitere Varianten der beschriebenen Anschlussenden sind realisierbar und basieren auf dem zuvor beschriebenen Grundkonzept.
Dabei können die dichtenden und dämpfenden Elemente 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, pastöser oder schaumförmiger Konsistenz.
• Mit temperaturbeständigem Gleitwerkstoff beschichtetes Metall.
• Mit präkeramischen Polymeren beschichtetes Metall.
• Faserverstärktes Graphitband.
• Temperaturbeständiger Gleitlack.

Ebenso Kombinationen aus den genannten Zwischenstoffen können für spezielle Anwendungsfälle besonders geeignet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19820863 A1 [0003]
- DE 19824095 C2 [0006]
- DE 10354782 B3 [0007]

Claims

Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad, dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen einem außen liegenden und einem innen liegenden Rohrstück mindestens ein Dichtelement sowie ein Torsionsfreiheitsgrad vorhanden ist und die axiale Position der Rohrstücke zueinander formschlüssig oder reibschlüssig in Stufen oder stufenlos verstellt werden kann.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad, dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen einem außen liegenden und einem innen liegenden Rohrstück mindestens ein Dichtelement sowie ein Torsionsfreiheitsgrad vorhanden ist und die axiale Position der Rohrstücke zueinander formschlüssig in Stufen verstellt werden kann.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad, dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen einem außen liegenden und einem innen liegenden Rohrstück mindestens ein Dichtelement sowie ein Torsionsfreiheitsgrad vorhanden ist und die axiale Position der Rohrstücke zueinander reibschlüssig und stufenlos verstellt werden kann.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Rohrstücke mehrere und das zweite der beiden Rohrstücke mindestens eine ringförmige Vertiefung aufweist.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Rohrstück mindestens ein vorzugsweise ovales Loch aufweist.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum formschlüssigen Zusammenbau ein Drahtstück erforderlich ist.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum formschlüssigen Zusammenbau eine Schraubenfeder erforderlich ist.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum formschlüssigen Zusammenbau ein Keramikfaden erforderlich ist.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Rohrstück aus zwei axial auseinander liegenden Abschnitten besteht, welche über mindestens eine Brücke formschlüssig, stoffschlüssig oder reibschlüssig zueinander fixiert sind.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Rohrstück aus zwei axial auseinander liegenden Abschnitten besteht, welche im Zwischenbereich eine Schelle aufnehmen.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Fixierung über Reibschluss und Formschluss zugleich erzeugt wird.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzelement den axialen Weg zwischen innen liegendem und außen liegendem Rohrstück begrenzt.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Rohrstücken ein Metallgestricke eingebracht ist.
Verbindungselement mit torsionalem Freiheitsgrad nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Rohrstücken ein Glasfasergestricke eingebracht ist. (1)