DE102012024870A1

DE102012024870A1 - Entkopplungselement zur Abschirmung von Körperschall

Info

Publication number: DE102012024870A1
Application number: DE201210024870
Authority: DE
Inventors: Holger Hebisch
Original assignee: BOA Balg und Kompensatoren Technologie GmbH
Current assignee: BOA Balg und Kompensatoren Technologie GmbH
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2013-07-25
Also published as: DE202012000553U1; US8973950B2; US20130187375A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Entkopplungselement aus Metall zur Abschirmung von Körperschall bei Leitungsanordnungen in Kraftfahrzeugen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Abkopplung und Bedämpfung hochfrequenter Schwingungen bei einfachem Aufbau zu erreichen. Diese Aufgabe wird bei einem Entkopplungselement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass an wenigstens einem Ende des Balgs zwischen Balgende und weiterführender Rohrleitung ein ringförmiges Dämpfungselement aus einem Leichtbau-Verbundwerkstoff mit partikelgefüllten Stahlhohlkugeln zwischengeschaltet ist. Im Vergleich mit massiven metallischen Werkstoffen zeigen Leichtbau-Verbundwerkstoffe ein deutlich günstigeres Schallabsorptionsverhalten sowie verbesserte Eigenschaften bezüglich mechanischer Dämpfung. Durch die geschlossenporige Struktur der Matrix-/Hohlkugel-Struktur ist keine zusätzliche Abdichtung erforderlich. Insgesamt ist so ein Entkopplungselement geschaffen, das bei kompakter Bauweise sowohl eine gute Körperschallentkopplung als auch in Verbindung mit dem Metallbalg eine gute Schwingungsentkopplung bei niedrigeren Frequenzen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Entkopplungselement aus Metall zur Abschirmung von Körperschall bei Leitungsanordnungen, insbesondere für den Abgasstrang von Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Leitungsanordnungen, wie Abgasleitungen von Kraftfahrzeugen, entstehen regelmäßig hochfrequente Schwingungen im Leitungsmaterial selbst, sogenannter Körperschall, wenn die betreffenden Leitungsanordnungen mit einer Schwingungen erzeugenden 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.
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, schraubengangförmigen oder ringgewellten kurzen Balg mit hoher Steifigkeit dadurch bewerkstelligt, dass auf einem profilierten Balgabschnitt ein kraft- oder formschlüssig aufgesetzter Gestrickemantel angeordnet ist. 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 der 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.
Bei der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 025 946 B4 stellt der Balg die einzige Verbindung zwischen den Enden des Leitungselementes dar. Als Dämpfungselemente dienen auf die Balgendhalbwellen aufgesetzte Dämpfungskissen, mit denen die senkrecht zur Balgoberfläche schwingenden Anteile der transversalen Biegeschwingungen des Körperschalls schon deutlich wirkungsvoller bedämpft werden als dies durch den formschlüssig aufgesetzter Gestrickemantel bei der oben beschriebenen EP 1 026 375 A2 der Fall ist.
Bei dem Körperschall-Entkoppelelement nach dem Gebrauchsmuster DE 20 2007 003 805 U1 steht die Erkenntnis im Mittelpunkt, dass das Abkoppeln von Körperschall, das in der Realität in einer Reduzierung der durchgeleiteten Schallintensität besteht, durch Beugung, Reflexion oder durch Interferenzen erfolgt, und nicht in erster Linie durch Abschwächung mittels Dämpfung der Schwingungen, wie dies bei den vorgenannten Druckschriften der Fall war. Dementsprechend werden Beugungen, Reflexionen und Interferenzen vor allem durch das gezielte Einbringen von Inhomogenitäten und Diskontinuitäten in den Metallbalg mittels einer entsprechenden Ausgestaltung einer schwingungsbeeinflussenden Balglage, die mit Löchern, Schlitzen, Prägungen oder aufgesetzten Metall- oder Keramikplättchen versehen sein kann.
Die vorgeschlagenen Inhomogenitäten und Diskontinuitäten im Metallbalg führen zu einem erheblichen Mehraufwand bei der Balgherstellung. Darüber hinaus muss es weiterhin eine Dichtlage im Balg geben, die ohne schwingungsbeeinflussende Löcher und Schlitze ausgeführt sein muss. Somit existiert weiterhin eine Balglage, die den Körperschall ungehindert passieren kann, weil in dieser Lage keine schwingungsbeeinflussende Maßnahmen wirksam sind.
Bei dem deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2011 005 302 U1 wird ein Leitungselement vorgestellt, das an zumindest einem Ende des Balgs, zwischen Balgende und weiterführender Rohrleitung, ein Metallschaumelement in Form eines plattierten Metallschaumringes aufweist. Auf diese Weise wird in den Körperschallweg eine Stecke eingebaut, die durch ihre labyrinthische Struktur eine vielfache Umlenkung der Schallausbreitung erzwingt. Hierbei kommt es durch Reflexionen, Beugung und Interferenzen zu einer Dissipation der Schallenergie, die zwar zu einer deutlichen Reduzierung der durchgeleiteten Schallintensität führt, jedoch den gestiegenen Ansprüchen an die Körperschalldämpfung nicht gerecht wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile ein Entkopplungselement der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, das neben einer verbesserten Abkopplung und Bedämpfung hochfrequenter Schwingungen einen einfachen Aufbau aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem Entkopplungselement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass an wenigstens einem Ende des Balgs zwischen Balgende und weiterführender Rohrleitung ein ringförmiges Dämpfungselement aus einem Leichtbau-Verbundwerkstoff mit partikelgefüllten Stahlhohlkugeln zwischengeschaltet ist.
Im Vergleich mit massiven metallischen Werkstoffen zeigen Leichtbau-Verbundwerkstoffe ein deutlich günstigeres Schallabsorptionsverhalten sowie verbesserte Eigenschaften bezüglich mechanischer Dämpfung. Sobald die Wellenfront die Hohlkugeln erreicht, beginnen die Kugelschalen zu schwingen. Die Kugelwände geben die Energie an die innen liegenden Partikel weiter. Sie wird großteils als Bewegungsenergie der Partikel zwischengespeichert und anschließend durch Reibung und teilelastische Stöße in Wärme umgewandelt. Dieser Prozess ist nicht temperaturabhängig, weshalb sich partikelgefüllte Hohlkugelstrukturen auch zur Schwingungsdämpfung bei höheren Temperaturen eignen, wie sie in der Abgasanlage eines Automobils vorkommen.
Das Dämpfungselement weist eine Sandwich-Struktur auf, bei der die partikelgefüllten Stahlhohlkugeln in eine Matrix aus Metall oder Polymere eingegossen sind.
Um eine einfache Schweißverbindung mit der weiterführenden Rohrleitung und dem Balg zu ermöglichen, ist die partikelgefüllte Stahlhohlkugelstruktur entweder an ihren Stirnseiten oder an ihrer Innen- und Außenseite mit einer Plattierung versehen, die je nach Matrix durch Löten oder Kleben verbunden wird. Durch die geschlossenporige Struktur der Matrix-/Hohlkugel-Struktur ist keine zusätzliche Abdichtung erforderlich.
Die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes können durch Variation der folgenden Parameter gezielt eingestellt werden.

• Kugelgröße
• Dichte
• Matrixwerkstoff
• Partikelfüllungsgrad
• Partikelmaterial, z. B. Keramikpulver

Zwecks verbesserter Auslöschung bei Reflexionen von Körperschallwellen im Balgbereich sind die Balgwellen des erfindungsgemäßen Entkopplungselements vorzugsweise mit unterschiedlichen Profilformen, wie variablen Profilhöhen, variablen Teilungen und/oder variablen Krempenradien ausgebildet.
Des Weiteren ist nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements vorgesehen, dass bei ausschließlich hochfrequenter Körperschallübertragung mindestens ein plattierter Sandwichring ohne weiterführenden Balg zum Einsatz kommen kann, da die niederfrequente Entkopplung durch den Balg bei derartigen Anregungsspektren entfallen kann.
Insgesamt ist so ein Entkopplungselement geschaffen, das bei kompakter Bauweise sowohl eine gute Körperschallentkopplung als auch in Verbindung mit dem Metallbalg eine gute Schwingungsentkopplung bei niedrigeren Frequenzen aufweist.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
1 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements, und
2 eine vergrößerte Darstellung des Detail A aus 1;
3 einen Teilschnitt einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements;
4 einen Teilschnitt des erfindungsgemäßen Entkopplungselements in einer dritten Ausgestaltung.
In 1 ist ein Randbereich eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements 1 in einer Teilschnittdarstellung gezeigt. Das Entkopplungselements 1 weist einen ringgewellten Balg 2 aus Metall auf, dessen Endwellen 3a und 3b gegenüber den mittleren Wellen 3c im Durchmesser reduziert sind. Das radial nach außen geformte Balgende stellt die stirnseitige Plattierung 5b dar. Zwischen den stirnseitigen Plattierungen 5a und 5b befindet sich ein ringförmiges Dämpfungselement 4 aus einem Leichtbau-Verbundwerkstoff, der aus partikelgefüllten Stahlhohlkugeln besteht, die in eine Metallmatrix eingegossen sind. Bei den Partikeln innerhalb der Stahlhohlkugeln handelt es sich um Keramikpulver, das das Volumen der Hohlkugeln zu etwa einem Drittel ausfüllt. Der Durchmesser der Stahlhohlkugeln beträgt bei der abgebildeten Ausgestaltung 2 mm. Die Metallmatrix 7 ist durch Löten mit den stirnseitigen Plattierungen 5a und 5b verbunden. Der so aufgebaute Sandwichring 4 sorgt für die Körperschallentkopplung zwischen Abgasleitung und Balg. Die Plattierung 5a ist wie der Metallbalg 2 aus Edelstahl hergestellt. Die vorstehende Nase 6 am Plattierungsblech 5a dient der Zentrierung des anzuschließenden Abgasrohrs. Optional kann das nicht dargestellte andere Balgende ebenfalls einen Sandwichring 4 aufweisen und ist dann symmetrisch zur dargestellten Seite aufgebaut. Befindet sich die Körperschall erzeugende Schwingungsquelle jedoch nur auf der Motorseite des Entkopplungselements, so kann es ausreichend sein, nur eine Seite mit einem Dämpfungsringring auszustatten und auf der anderen Seite anstatt dessen ein zylindrisches Balgende vorzusehen.
2 zeigt das Detail A aus 1 in einer vergrößerten Darstellung. Man erkennt die in die Matrix 7 eingebetteten Hohlkugeln 9, die in Form einer dichten Kugelpackung angeordnet sind und deren Innenraum zu etwa einem Drittel mit Keramikpartikeln 8 gefüllt sind.
In 3 ist ein Randbereich einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements 1 in einer Teilschnittdarstellung gezeigt. Das Entkopplungselements 1 weist einen ringgewellten Balg 2 auf, dessen Balgwellen 3c konstante Profilhöhen besitzen. Im Gegensatz zu der Ausführung nach 1, ist bei dieser Ausgestaltung die Plattierung auf der Innen- und Außenseite des Dämpfungsringes 4 angeordnet. Die Innenplattierung 5d wird vom zylindrischen Balgende gebildet. Die Plattierung 5c umschließt den Dämpfungsring auf seiner Außenseite und dient gleichzeitig als Anschlussende für die Schweißverbindung mit der weiterführenden Abgasleitung.
4 zeigt den Randbereich einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements 1 in einer Teilschnittdarstellung. Das Entkopplungselements 1 weist wiederum einen ringgewellten Balg 2 auf, dessen Balgwellen 3c konstante Profilhöhen besitzen. Im Gegensatz zu der Ausführung nach 3 dient bei dieser Ausgestaltung das hochgezogene zylindrische Balgende als Außenplattierung 5c, wobei die Innenplattierung 5d, die den Dämpfungsring (4) auf seiner Innenseite begrenzt, gleichzeitig als Anschlussende für die Schweißverbindung mit der weiterführenden, nicht dargestellten Abgasleitung dient.
Optional kann das jeweils nicht dargestellte andere Balgende der 3 und 4 ebenfalls einen Dämpfungsring 4 aufweisen und ist dann symmetrisch zur dargestellten Seite aufgebaut.
Bezugszeichenliste

1: Entkopplungselement
2: Balg
3a: abgesetzte Randwelle
3b: abgesetzte Randwelle
3c: Mittelwelle mit normaler Profilhöhe
4: Dämpfungselement als Sandwichring
5a: rohrseitiges Plattierungsblech
5b: balgseitiges Plattierungsblech
5c: innenseitige Plattierung
5d: außenseitige Plattierung
6: Zentriernase
7: Matrix
8: Partikelfüllung
9: Stahlhohlkugel

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

EP 1026375 A2 [0003, 0003, 0004]
DE 102004025946 B4 [0004]
DE 202007003805 U1 [0005]
DE 202011005302 U1 [0007]

Claims

Entkopplungselement zur Abschirmung von Körperschall, insbesondere für den Abgasstrang von Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen mit einem Balg (2) aus Metall, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Ende des Balgs zwischen Balgende und weiterführender Rohrleitung ein ringförmiges Dämpfungselement (4) aus einem Leichtbau-Verbundwerkstoff mit partikelgefüllten Stahlhohlkugeln zwischengeschaltet ist.
Entkopplungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (4) eine Sandwich-Struktur aufweist, bei der die partikelgefüllten Stahlhohlkugeln in eine Matrix aus Metall oder Polymere eingegossen sind.
Entkopplungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement in Form eines plattierten Sandwichringes (4) ausgeführt ist.
Entkopplungselement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfüllung der Stahlhohlkugeln aus Keramikpulver besteht.
Entkopplungselement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattierungen (5a, 5b) auf den Stirnseiten des Sandwichringes (4) angeordnet sind.
Entkopplungselement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Balgende stoffschlüssig mit der Plattierung (5b) durch Schweißen oder Löten verbunden ist.
Entkopplungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattierung (5b) ein Teil des nach radial außen geformten Balgendes ist.
Entkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrleitungsseitige Plattierung (5a) mit einer Zentriernase (6) versehen ist.
Entkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg mit unterschiedlichen Profilformen, wie variablen Profilhöhen (3a, 3b, 3c), variablen Teilungen und/oder variablen Krempenradien ausgebildet.
Entkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattierungen (5c, 5d) auf der Außen- und Innenseite des Sandwichringes angeordnet sind.
Entkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattierung (5c oder 5d) durch das zylindrische Balgende gebildet wird.
Entkopplungselement nach einem der Ansprüche vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei ausschließlich hochfrequenter Körperschallübertragung mindestens ein Dämpfungselement in Form eines plattierten Sandwichringes (4) ohne weiterführenden Balg zum Einsatz kommt.