-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines flexiblen, metallischen Leitungselements zur Führung gasförmiger oder flüssiger Medien, insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich, vorzugsweise in Entkoppelelementen für Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, wobei das Leitungselement einen nicht-kreisrunden Querschnitt mit wenigstens zwei verschieden langen Achsen quer zu seiner Längserstreckung aufweist.
-
Außerdem betrifft die Erfindung ein flexibles metallisches Leitungselement zur Führung gasförmiger oder flüssiger Medien, insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich, vorzugsweise in Entkoppelelementen für Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, welches Leitungselement zumindest abschnittweise eine gewellte Wandung und einen nicht-kreisrunden Querschnitt mit wenigstens zwei verschieden langen Achsen quer zu seiner Längserstreckung aufweist.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Umformwerkzeug für die Herstellung flexibler metallischer Leitungselemente zur Führung gasförmiger Medien, wie vorstehend angesprochen.
-
Flexible, metallische Leitungselemente nach dem Stand der Technik können – ohne Beschränkung – als Bälge ausgebildet sein und weisen somit wenigstens einen gewellten Abschnitt und vorzugsweise glattzylindrische, endständige Anschlussabschnitte auf, in denen die Bälge mit weiteren Bestandteilen einer Leitungsanlage verbindbar sind.
-
Im Querschnitt ovale, elliptische oder (recht-)eckige Balggeometrien sind geometrische Sonderformen solcher Metallbälge. In der Regel haben beispielsweise Ovalbälge zwei Symmetrieachsen mit zugehörigen Schenkellängen a und b und lassen sich mathematisch exakt beschreiben.
-
Die konstruktive Auslegung von Oval-, (Recht-)eck- oder Ellipsenbälgen orientiert sich am Querschnitt mit dem kleinsten Eckenradius unter Berücksichtigung einer Hauptbelastungsrichtung. Dabei sind Bereiche des Balgs mit kleinem Krümmungsradius relativ steif. Außerdem weisen die genannten Balg-Sonderformen über den Umfang unterschiedliche Wellenhöhen in den gewellten Bereichen auf, wobei Bereiche kleinerer Wellenhöhe das dynamische Verhalten des Balgs dominieren.
-
Aus der
DE 42 43 115 C5 ist eine flexible Leitung für die Abgasanlage eines Fahrzeugmotors bekannt, bei der jede Wellung der Leitung entlang einer ersten Achse eine andere Höhe als die gleiche Wellung entlang einer zweiten Achse aufweist, so dass die Leitung in unterschiedlichen Biegeebenen verschiedene Biegesteifigkeiten aufweist.
-
Aus der
DE 100 32 308 B4 ist ein Wellrohr mit nicht-kreisförmigem freiem Leitungsquerschnitt bekannt, bei dem Wellungen bzw. Wellungsflanken über den Umfang des Wellrohres an einem ersten Wellungsabschnitt hoch und an einem zweiten Wellungsabschnitt niedrig ausgebildet sind.
-
Der Herstellprozess von Oval-, (Recht-)eck- oder Ellipsenbälgen unterscheidet sich von der Herstellung kreisrunder Bälge im Wesentlichen in der Geometrie der (hydraulischen) Umformwerkzeuge, welche im Rahmen geeigneter Herstellverfahren, insbesondere Innenhochdruckumformung (IHU), eingesetzt werden. Die genannten Umformwerkzeuge bilden die Form des Ovals, des Rechtecks oder der Ellipse in allen zur Balgachse (Längsachse) radialen Schnittebenen ab.
-
Bei der hydraulischen Umformung der Bälge herrscht ein über den Umfang konstanter Druck. Da die Radien an den kürzeren Schenkeln, beispielsweise bei einer Ellipse, größer sind, entstehen bei der Umformung größere Wellenhöhen als an den längeren (Ellipsen-)Schenkeln mit kleineren Radien. Auf das entsprechend beeinflusste dynamische Verhalten der Bälge wurde bereits hingewiesen.
-
Für den Fachmann ergibt sich ohne Weiteres, dass die vorstehende Betrachtung selbstverständlich nicht auf Ellipsen beschränkt ist, sondern das die Effekte bei anderen, nicht-kreisrunden Balgformen entsprechend auftreten.
-
Wenn hier und im Folgenden von unterschiedlich langen Schenkeln oder Achsen bzw. entsprechenden Bereichen eines Leitungselements (Balgs) die Rede ist, meint dies diejenigen Bereiche, in denen sich der Balg bzw. dessen Mantelfläche im Wesentlichen gerade senkrecht zum genannten Schenkel bzw. der genannten Achse erstreckt. Alternativ ließe sich auch angeben, dass in dem genannten Bereich die betreffende Achse bzw. der betreffende Schenkel den Balg (gedacht) durchsetzt.
-
Die geringeren Wellenhöhen an den langen Schenkeln des Balges limitieren sowohl die Federsteifigkeit als auch die in Achsrichtung und senkrecht zum kurzen Schenkel (in Längsrichtung) aufnehmbare Bewegung. Eine Vergrößerung der Wellenhöhe am langen Schenkel ist durch die verfahrensbedingte Kopplung der Wellenhöhen am langen und am kurzen Schenkel nur bedingt möglich. Limitierend wirkt hierbei die Herstellung der Wellenhöhe am langen Schenkel.
-
Bedingt durch die unterschiedlichen Wellen- oder Flankenhöhen bei Ovalbälgen, Ellipsenbälgen oder eckigen Bälgen entstehen bei Bewegung des Bauteils die höchsten Spannungen im Bereich der kleinsten Radien. Die Lateral- und Angularfederrate in den zwei Symmetrieachsen ist signifikant unterschiedlich.
-
Insbesondere beim Einsatz derartiger Bauteile in Abgasanlagen im Automobilbereich wird die Bauform Ovalbalg/Rechteckbalg in der Regel gewählt, um Bauhöhe einzusparen. Die steifere Biegerichtung liegt dann im Fahrzeug in Normallage horizontal. Neben Schwingungen sollen die Bauelemente auch laterale Querbewegungen abfangen können. Ein frühzeitiger Ausfall ist an der steifesten Stelle (im Bereich der kleinsten Radien) des Balgumfangs zu erwarten.
-
Zudem sind Oval-, Ellipsen- oder Rechteckbälge aufgrund der relativ geringen Wellenhöhen an den langen Schenkeln allgemein in der Regel sehr steif und benötigen daher für die gleichen Bewegungsaufnahme wie kreisrunde Bälge mehr Wellen, wodurch sich nachteiliger Weise eine gegenüber kreisrunden Bälgen vergrößerte Baulänge ergibt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorstehenden Nachteile ein flexibles metallisches Leitungselement sowie ein Verfahren und ein Werkzeug zu dessen Herstellung anzugeben, so dass das resultierende Leitungselement eine verlängerte Standzeit und eine verkleinerte Baulänge aufweist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein flexibles metallisches Leitungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 2 sowie durch ein Umformwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines flexiblen, metallischen Leitungselements zur Führung gasförmiger oder flüssiger Medien, insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich, vorzugsweise in Entkoppelelementen für Abgasanlagen für Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, welches Leitungselement einen nicht-kreisrunden Querschnitt mit wenigstens zwei verschieden langen Achsen oder Schenkeln quer zur seiner Längserstreckung aufweist, sind erfindungsgemäß zumindest folgende Schritte vorgesehen:
Zunächst wird ein im Wesentlichen glattes, metallisches Rohrleitungselement in ein Umformwerkzeug eingebracht, welches Werkzeug das Rohrleitungselement in einen Umformbereich über dessen Umfang und Längserstreckung umgibt. Bei diesem Umformwerkzeug kann es sich um ein IHU-Werkzeug handeln, was mit entsprechenden Abdichtungserfordernissen einhergeht. Anschließend wird das Rohrleitungselement in seinem Innenbereich mit einem Umform-Innendruck beaufschlagt und nach außen gegen das Werkzeug umgeformt, um wenigstens einen gewellten Bereich auszubilden.
-
Dabei wird das Rohrleitungselement während des Umformens mittels des Werkzeugs im Bereich einer kürzeren der wenigstens zwei verschieden langen Achsen auf einem längeren Abschnitt in Längsrichtung gegen den Umform-Innendruck gehalten als im Bereich einer längeren der wenigstens zwei verschieden langen Achsen. Auf diese Weise ergeben sich beim Umformen Wellen mit über den Umfang im Wesentlichen gleicher Höhe oder sogar mit größerer Höhe im Bereich der längeren Achse, wodurch sich die weiter oben genannten Nachteile vermeiden lassen.
-
Vorliegend bedeutet der Begriff „im Wesentlichen”, dass die betreffenden Abmessungen innerhalb der üblichen Toleranzgrenzen möglichst identisch ausgebildet sein sollen.
-
Dabei schließt der Grundgedanke der Erfindung mit ein, dass sich beim Umformen Wellen ergeben, die in Bereichen eines kleinsten Wandungsradius bezogen auf die Umfangsrichtung höher sind als in anderen Bereichen. Bei Ellipsen- oder Ovalbälgen entspricht dies gerade Bereichen des kleineren Ellipsen- oder Ovalradius bzw. Bereichen nach der längeren Achse.
-
Erfindungsgemäß ist ein flexibles metallisches Leitungselement zur Führung gasförmiger oder flüssiger Medien, insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich, vorzugsweise in Entkoppelelementen für Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, welches Leitungselement zumindest abschnittweise eine gewellte Wandung und einen nicht-kreisrunden Querschnitt mit wenigstens zwei verschieden langen Achsen quer zu seiner Längserstreckung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl Wellen des flexiblen Leitungselements über den Umfang eine im wesentlichen gleiche Höhe aufweist oder dass die Höhe im Bereich einer längeren der beiden Achsen größer ist als im Bereich einer kürzeren der beiden Achsen.
-
(Hydraulische) Umformwerkzeuge, wie sie nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Oval-, Ellipsenbälgen oder dergleichen zum Einsatz kommen, sind in Schnittebenen radial zur Balglängsachse symmetrisch ausgebildet. Dies ist in der beigefügten 1 exemplarisch dargestellt. Anhand der Schnitte A-A bzw. B-B wird deutlich, dass das Umformwerkzeug 1 speziell über den Umfang eine gleiche Krempenbreite K1 = K2 = konst. aufweist, was entsprechend zu einer Ausbildung von Balgwellen mit gleich breiter Innenkrempe führt. Bei Verwendung derartiger Werkzeuge 1 entstehen die vorbekannten Bälge nach dem Stand der Technik mit den entsprechenden Nachteilen, worauf weiter oben hingewiesen wurde.
-
Speziell sind Werkzeuge für kreisrunde Bälge rotationssymmetrisch ausgebildet; Werkzeuge für Ellipsenbälge sind symmetrisch zu den beiden Ellipsenachsen.
-
Ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug für die Herstellung flexibler metallischer Leitungselemente zur Führung gasförmiger Medien, insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich, vorzugsweise in Entkoppelelementen für Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, welche Leitungselemente zumindest abschnittweise eine gewellte Wandung und einen nicht-kreisrunden Querschnitt mit wenigstens zwei verschieden langen Achsen quer zu ihrer Längserstreckung aufweisen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Werkzeug Umformstrukturen aufweist, die dazu vorgesehen und ausgebildet sind, mit einem im Wesentlichen glatten, metallischen Rohrleitungselement bei Innendruckbeaufschlagung desselben an dessen Außenseite in Bereichen in Anlage zu treten und die über den Umfang eine gleiche Höhe, aber unterschiedliche Breiten aufweisen, so dass eine Anzahl Wellen des flexiblen Leitungselements nach erfolgter Umformung über den Umfang eine im wesentlichen gleiche Höhe aufweist oder dass die Höhe im Bereich einer längeren der beiden Achsen größer ist als im Bereich einer kürzeren der beiden Achsen.
-
Das neue Werkzeug zur Herstellung nicht-kreisrunder Bälge mit gleicher Wellenhöhe über den Umfang bzw. größerer Wellenhöhe im Bereich der langen Achse berücksichtigt demgemäß, des bei gegebenem, konstanten Umformdruck der Balgdurchmesser an jeder Stelle des Umfangs durch die Gestaltung der Krempenbreite des Umformwerkzeugs beeinflusst werden kann. Entsprechend weist das erfindungsgemäße Werkzeug über den Umfang des Ovals, der Ellipse oder dergleichen eine unterschiedliche Krempenbreite auf. Speziell resultiert im Bereich der kürzeren Ellipsenachse eine relativ breite Krempe, während im Bereich der längeren Ellipsenachse eine relativ große Krempenbreite resultiert. Ein Übergang zwischen den wenigstens zwei unterschiedlichen Krempenbreiten des Werkzeugs kann kontinuierlich über den Balgumfang oder relativ sprunghaft in einem räumlich beschränkten Bereich ausgebildet sein, je nach gewünschten Balgeigenschaften.
-
Gleiches gilt für einen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Umfangwerkzeugs hergestellten Balg.
-
Im Ergebnis erhält man so eine relativ konstante Wellenhöhe über den Umfang eines Ovalbalgs, eines Ellipsenbalgs oder eines rechteckigen Balgs, oder sogar eine vergrößerte Wellenhöhe im Bereich der längeren Achse.
-
In der Folge ergibt sich außerdem eine gegenüber dem Stand der Technik kleinere oder sogar verschwindende Differenz der Angular- und Lateralfederrate bezogen auf die beiden Biegeachsen des Balgs verbunden mit einer erhöhten Bauteillebensdauer und einer insgesamt kompakteren Bauweise.
-
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements sieht entsprechend vor, dass eine Anzahl Wellen-Innenkrempen über den Umfang verschiedene Breiten aufweisen, wobei im Bereich einer kürzeren der wenigstens zwei verschieden langen Achsen die Breite der Innenkrempe größer ist als im Bereich einer längeren der wenigstens zwei verschieden langen Achsen.
-
Speziell kann in Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Breite der Innenkrempe im Bereich der kürzeren der wenigstens zwei verschieden langen Achsen etwa zwischen 1,3 und zehnmal so groß, vorzugsweise etwa zwei bis siebenmal so groß, vorzugsweise etwa drei bis fünfmal so groß ist wie im Bereich einer längeren der wenigstens zwei verschieden langen Achsen.
-
Eine entsprechende Weiterbildung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs sieht vor, dass die Breite der Umformstrukturen im Bereich der kürzeren der wenigstens zwei verschieden langen Achsen etwa zwischen 1,3 und zehnmal so groß, vorzugsweise etwa zwei- bis siebenmal so groß, höchst vorzugsweise etwa drei- bis fünfmal so groß ist wie im Bereich einer längeren der wenigstens zwei verschieden langen Achsen.
-
Im Zuge einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements kann vorgesehen sein, dass dieses nach Art eines Balgs oder dergleichen ausgebildet ist mit wenigstens einem gewellten Bereich und wenigstens einem endständigen, glattzylindrischen Anschlussbereich, worauf bereits wiederholt hingewiesen wurde.
-
Das Leitungselement kann zumindest in dem gewellten Bereich im Querschnitt oval, elliptisch oder mehreckig, vorzugsweise viereckig, höchst vorzugsweise rechteckig, oder als Reuleaux-Dreieck ausgebildet sein.
-
Bildlich gesprochen erreicht man so eine Begrenzung der sich in diesem Bereich ansonsten einstellenden Wellenhöhe wegen fehlenden Materialnachschubs beim Umformen, da die verbreiterten Innenkrempen bzw. entsprechend ausgebildeten Umformstrukturen des Werkzeugs zu einem mechanischen Halten in solchen Bereichen führen, in denen der Balg ausweichen will. Auf diese Weise lässt sich insbesondere der auch zum Umformen angelegte Druck erhöhen, und im Bereich kleinerer Radien lässt sich eine gegenüber dem Stand der Technik vergrößerte Wellenhöhe erreichen.
-
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
-
1 zeigt einen Balg bzw. ein zu dessen Herstellung eingesetztes Umformwerkzeug nach dem Stand der Technik; und
-
2 zeigt einen Balg bzw. ein zu dessen Herstellung eingesetztes Umformwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
In 1 wie in 2 ist ein zur Herstellung eines flexiblen Leitungselements (Balgs) mit nicht-kreisrundem Querschnitt einsetzbares Werkzeug insgesamt mit Bezugszeichen 1 bezeichnet. Dargestellt ist eine im Querschnitt ovale Umformstruktur mit einer Außenkrempe 1a, die bei Verwendung des Werkzeugs 1 zur Ausbildung von Wellenbergen des Balgs führt, sowie mit einer Innenkrempe 1b, die zur Ausbildung entsprechender Wellentäler des Balgs führt.
-
Die Richtung der Längserstreckung des Balgs ist in den 1 und 2 in die Zeichenebene hinein bzw. aus dieser heraus orientiert.
-
Dargestellt sind weiterhin Schnittansichten entlang der Linien A-A und B-B. Hieraus wird ersichtlich, dass die Umformstrukturen im Bereich der Innenkrempe 1b nach dem Stand der Technik gemäß 1 mit einer gleichen Krempenbreite K1 = K2 = konst. ausgebildet sind, während gemäß der vorliegenden Erfindung, die in 2 dargestellt ist, die Krempenbreite K1 im Bereich des längeren Schenkels a, d. h. im Bereich kleinerer Radien deutlich kleiner gewählt ist als die Krempenbreite K2 im Bereich des kürzeren Schenkels b. Auf diese Weise sorgt das Umformwerkzeug 1 beim Formen des Balgs im Bereich des kürzeren Schenkels b für ein mechanisches Halten im Bereich der breiteren Innenkrempe 1b, was sich reduzierend auf die in diesem Bereich erreichbare Wellenhöhe auswirkt. Umgekehrt lassen sich mit dem Werkzeug 1 gemäß 2 im Bereich des längeren Schenkels a größere Wellenhöhen erreichen, insbesondere durch Erhöhen des Umformdrucks.
-
Ergebnis dieses Umformverfahrens ist ein Balg mit über dem Umfang im Wesentlichen konstanter Höhe, welche Wellenhöhe im Bereich des längeren Schenkels a sogar leicht erhöht sein kann – bezogen auf den anderen, kürzeren Schenkel b.
-
Der jeweilige Balg entspricht querschnittsmäßig etwa der Darstellung in 2, wenn Bezugszeichen 1a eine Außenkrempe eines Wellenbergs des Balgs im gewellten Bereich und Bezugszeichen 1b eine Innenkrempe eines Wellentals des Balgs im gewellten Bereich bezeichnet.
-
Wie der Fachmann leicht erkennt, müssen nicht alle Wellen des Balgs identisch ausgebildet sein. Außerdem können sich in dem endständigen Bereich des Balgs an den gewellten Bereich noch vorzugsweise glattzylindrische Anschlussenden anschließen, was dem Fachmann ebenfalls geläufig ist.
-
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 4243115 C5 [0007]
- DE 10032308 B4 [0008]
