DE102014012169A1

DE102014012169A1 - Entkopplungselement

Info

Publication number: DE102014012169A1
Application number: DE201410012169
Authority: DE
Inventors: Andreas Schill; Marc Pontzen; Stefan Neff
Original assignee: BOA Balg und Kompensatoren Technologie GmbH
Current assignee: Boa Metal Solutions De GmbH
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2015-02-26
Also published as: US9581070B2; CN104421562A; DE202013007501U1; US20150053299A1; CN104421562B

Abstract

Bei einem Entkopplungselement zur Entkopplung von Schwingungen des Turboladers eines Verbrennungsmotors gegenüber einer Abgasanlage mit einem Balg ist insbesondere zur Erzielung einer geringeren Steifigkeit bei geringer Baulänge vorgesehen, dass der Balg ein Membranbalg ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Entkopplungselement, insbesondere zur Entkopplung von Schwingungen des Turboladers eines Verbrennungsmotors gegenüber einer Abgasanlage, mit einem Balg.
Das erfindungsgemäße Entkopplungselement wird insbesondere zur Entkopplung der von einem Turbolader eines Verbrennungsmotors erzeugten Schwingungen gegen Übertragung derselben auf die anschließende Abgasanlage eingesetzt. Es wird damit zwischen Turbolader und Abgasanlage eingebaut. Ein erfindungsgemäßes Entkopplungselement kann aber auch bei anderen Anwendungen zur Entkopplung auftretender kleiner Schwingungsamplituden (in Richtung des Entkopplungselements bzw. dessen Verbindungsrichtung) mit Schwingungshüben im Bereich von wenigen Mikrometern (insbesondere unter 10 μm) zwischen durch das Entkopplungselement zu verbindenden Teilen eingesetzt werden.
Die Schwingungshübe eines Turboladers liegen im Bereich von 3 μm bis 5 μm mit Schwingungsfrequenzen von 500 Hz bis 5000 Hz, insbesondere bis 1500 Hz. Darüber hinaus sind die Einbauverhältnisse bei einem Turbolader eines Verbrennungsmotors in axialer Richtung (des Abgasauslasses des Turboladers bzw. der Abgasanlage) recht gering, so dass hier keine Bälge mit großen Baulängen eingesetzt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Entkopplungselement zu schaffen, das bei kurzer Baulänge eine wirksame Entkopplung von Schwingungen, insbesondere im Bereich von 500 Hz bis 5000 Hz, vorzugsweise bis 1500 Hz und damit eine Reduzierung der durch solche Schwingungen beim Schwingen einer Abgasanlage erzeugten Geräusche bewirkt.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mit einem Entkopplungselement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Balg ein Membranbalg ist.
Membranbälge sind an sich bekannt. Es handelt sich hierbei üblicherweise um Bälge, die aus einzelnen Ringteilen bestehen, die wechselweise in ihrem Innen- und Außenumfang mit benachbarten Ringteilen dicht stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet sind. Die Ringe und damit die Flanken der Wellen eines solchen Membranbalgs können glatt sein, vorzugsweise konisch, oder aber in sich eine Struktur aufweisen, insbesondere eine Wellenstruktur, so dass vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Flanken der Wellen des Membranbalgs in radialer Richtung wellenförmig verlaufen (im Axialschnitt wellenförmig ausgebildet sind).
Membanbälge wurden bisher insbesondere als Druckspeicher eingesetzt, beispielsweise in Messeinrichtungen oder dergleichen.
Im Rahmen der Erfindung ist ein Membranbalg ein aus in Achsrichtung einander folgenden Ringabschnitten gebildeter Balg, wobei benachbarte Ringabschnitte wechselweise am radialen Innen- und Außenrand derart miteinander verbunden sind, dass innere und äußere Randbereiche der Ringabschnitte aneinander anliegen, während radial zwischen den inneren und äußeren Randbereichen liegende Mittelbereiche (Flankenbereiche des Membranbalgs) benachbarter Ringabschnitte endlichen axialen Abstand haben. Die Ringbereiche können stoffschlüssig (durch Schweißen oder Löten) miteinander verbundene Einzelringe sein oder Abschnitte eines nach Wellformung in der vorstehend definierten Form gestauchten einstückigen Metallbalgs. Die Ringabschnitte können in ihrem Mittelbereich (Flanken der Wellen), wie vorstehend beschrieben, eben ausgebildet oder profiliert sein.
Durch die Erfindung wird der Energieeintrag in das nachfolgende System minimiert, indem eine minimale Balg-Steifigkeit auf minimaler Baulänge verwirklicht wird. In der Regel benötigt man mit klassischen Balglösungen hierfür Baulänge, die mit zunehmender Anzahl der Wellen die Steifigkeit reduziert. Durch die Erfindung wird es mittels eines Membranbalgs ermöglicht die längenabhängige Steifigkeit in einen geringen verfügbaren Einbauraum einbringen zu können. Durch die Erfindung wird bei kurzer Baulänge eine wirksame Entkopplung, insbesondere im hochfrequenten Bereich (500 Hz–5000 Hz), erreicht. Ein Wellbalg mit vergleichbarer Steifigkeit eines entsprechenden Membranbalgs würde aufgrund der größeren Wellenteilung ein Mehrfaches an Baulänge benötigen, typischerweise das 3- bis 6-fache der Baulänge des vergleichbaren Membranbalges.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Baulänge des Entkopplungselements, einschließlich Balg und gegebenenfalls eines Dämpfungskissens, aber ohne Anschlussteile 10 mm bis 50 mm, vorzugsweise 20 mm bis 40 mm beträgt, wobei insbesondere die Baulänge des Balgs 10 mm bis 25 mm, vorzugsweise 10 mm bis 20 mm beträgt.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sehen vor, dass die Teilung (Länge einer Balgwelle) weniger als 4 mm, vorzugsweise weniger als 3 mm beträgt und/oder dass die Wellenzahl des Balgs 3 bis 10 Wellen, vorzugsweise 5 bis 8 Wellen beträgt. In vorteilhafter Weiterbildung ist vorgesehen, dass die axiale Steifigkeit des Balgs weniger als 200 N/mm, vorzugsweise weniger als 100 N/mm beträgt, wobei insbesondere die axiale Balgsteifigkeit 0,1 N/mm bis 100 N/mm, vorzugsweise 1 N/mm bis 10 N/mm beträgt.
Ein äußerst bevorzugtes Entkopplungselement weist einen Membranbalg mit 3 bis 10, vorzugsweise 5 bis 8 Wellen auf eine Baulänge von 5 bis 25, vorzugsweise 10 bis 20 mm auf.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Entkopplungselements ist vorgesehen, dass im Kraftfluss zwischen Balg und einem Anschlusselement des Entkopplungselements ein ringförmiges Dämpfungskissen aus Drahtgewebe angeordnet ist. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass mit einem Ende des Membranbalgs ein Rohrstück mit auf axialem Abstand zueinander angeordneten nach außen gerichteten Radialflanschen befestigt ist und am anderen Ende des Membranflansches ein Gehäuse mit axialem Abstand zueinander angeordneten, nach innen gerichteten Radialflanschen befestigt ist, dass jeweils ein nach außen und ein nach innen gerichteter Radialflansch im entlasteten Zustand des Entkopplungselements in radialer Richtung fluchten und dass zwischen den Radialflanschen das ringförmige Dämpfungskissen angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich radial innerhalb des Membranbalgs ein Leitrohr über mindestens die Länge des Membranbalgs erstreckt, wobei insbesondere das Entkopplungselement ein sich zu seinem freien Ende hin erweiterndes Anschlussrohr aufweist, das vorzugsweise mit dem Leitrohr verbunden ist.
In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass der Membranbalg mehrlagig ausgeführt ist und/oder die Flanken der Wellen des Membranbalgs konusförmig ausgebildet sind, wobei insbesondere die Flanken der Wellen des Membranbalgs in radialer Richtung wellenförmig verlaufen (im Axialschnitt wellenförmig ausgebildet sind).
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Nenndurchmesser (Innendurchmesser der Balgwellen) 30 mm bis 100 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 60 mm und 70 mm liegt.
Darüber hinaus zeichnen sich bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dadurch aus, dass die Wandstärke des Membranbalgs zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,2 mm liegt und insbesondere dass der Membranbalg mehrlagig ausgeführt ist.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die axiale Stärke des ringförmigen Dämpfungskissens zwischen 3 mm und 30 mm, vorzugsweise zwischen 6 mm und 12 mm liegt und/oder dass das ringförmige Dämpfungskissen eine Dichte zwischen 2 g/cm³ und 5 g/cm³, vorzugsweise zwischen 2,5 g/cm³ und 3,5 g/cm³ hat.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dämpfung zwischen 500 Hz und 1500 Hz mindestens 3 dB beträgt, wobei die Dämpfung insbesondere durch das Dämpfungskissen bewirkt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Zeichnung im Einzelnen erläutert sind.
Dabei zeigt die
1 die Einbausituation eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements zwischen Turbolader und Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs;
2 ein erfindungsgemäßes Entkopplungselement im Längsschnitt;
3 eine Seitenansicht eines Balgs einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Entkopplungselements; und
4 einen Balg einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements im Schnitt.
Ein Turbolader 1.1 ist einerseits über einen Sammler 1.2 mit einem Motor 1 und andererseits mit einer Abgasanlage 2 eines Kraftfahrzeugs verbunden. Hierdurch wird mittels der Abgase bei einem Verbrennungsmotor die zur Verbrennung in diesem zugeführte Luft verdichtet und mit erholtem Druck den Motorzylindern zugeführt. Die Platzverhältnisse sind knapp bemessen. Da durch den Betrieb eines Turboladers Schwingungen desselben mit einem Wert von 500 Hz bis 5 kHz erzeugt und diese bei Übertragung auf die Abgasablage von dieser als störender Körperschall abgestrahlt werden, wird angestrebt die Abgasanlage schwingungstechnisch weitgehend vom Turbolader zu entkoppeln.
Hierzu sieht die Erfindung ein zwischen Turbolader 1.1 und Abgasanlage 2 angeordnetes Entkopplungselement 3 vor, mit dem die axialen Schwingungen des Turboladers gedämpft und von der Abgasanlage 2 entkoppelt werden.
Das Entkopplungselement 3 weist einen Membranbalg 4 auf, der mit seinem einen Ende 4.1 – in der 2 an seinem linken Ende – mit einem Innenrohr 5 verbunden ist, das sich einerseits als Leitrohr 5.4 innerhalb des Balgs 4 durch diesen erstreckt, andererseits mit seinem vom Balg forterstreckenden freien Ende oder Rohrstück 5.1 mit einem sich etwa konisch erweiterten Anschlussrohr 6 zum Anschluss am Turbolader verbunden ist. Über dem freien Endbereich 5.2 des Rohres 5 wird mit axialem Abstand zum Balg 4 und zueinander zwei Radialflansche 5.3 vorgesehen.
Der Balg 4 ist weiterhin mit seinem anderen Ende 4.2 – im dargestellten Ausführungsbeispiel dem rechten Ende – mit einem Gehäuseteil 7 verbunden, das zunächst sich vom Balg 4 forterstreckend ein Anschlussende 7.1 zum Anschluss des Entkopplungselements 3 an der Abgasanlage aufweist. Weiterhin ist das Gehäuseteil 7 entgegen der Richtung des Anschlussendes 7.1 radial außerhalb des Balgs über diesen geführt bis über die Radialflansche 5.3 des Innenrohrs 5. Das Gehäuseteil 7 weist – im nicht belasteten Zustand des Balgs 4 – den Radialflanschen 5.3 gegenüberliegende, damit ebenfalls relativ zueinander mit axialem Abstand angeordnete nach innen ragende Flansche 7.2 auf. Zwischen den Flanschen 5.3, 7.2 ist ein Dämpfungskissen 8 aus verpresstem Metalldraht eingesetzt.
Der axiale Kraftfluss bei Schwingungen des Turboladers erfolgt einerseits vom Anschlussrohr 6, die Radialflansche 5.3 des Rohrstücks 5.1, das Dämpfungskissen 8, die radial gerichteten Innenflansche 7.2 des Gehäuses 7 – wobei auf das Dämpfungskissen 8 Scherkräfte ausgeübt werden – bis zum Anschlussende 7.1 des Entkopplungselements 3 zur Abgasanlage, andererseits vom Anschlussrohr 6 zum Turbolader über das Innenrohr 5 auf den Balg 4 von dessen Anschlussende 4.1 her und weiter über dessen Anschlussende 4.2 auf den Anschlussstutzen 7.1 zur Abgasanlage.
Der Balg 4 ist, wie gesagt, ein Membranbalg, wie er eingangs definiert wurde. Die den Membranbalg bildenden Membranringe 4.3 können, wie insbesondere der 3 entnehmbar ist, gegeneinandergestellte konische Scheiben sein oder aber eine eigene Profilierung aufweisen, wie dies bei dem Membranbalg der 4 der Fall ist, bei dem die einzelnen Ringe in einem achsparallelen Querschnitt eine flammartige gewählte Form aufweisen, die die Wellenflanken der Wellen des Membranbalgs bildenden Ringe im axialen Querschnitt wellenförmig ausgebildet sind, insbesondere mit flachen Sinuswellen. Die Ringe 4.3 des Membranbalgs 4 sind wechselweise mit ihrem radialinneren und ihrem radial äußeren Umfang gasdicht miteinander verbunden, bei dem aus Einzelringen 4.3 gebildeten Membranbalg 4 vorzugsweise durch gasdichtes Verschweißen. Der Membranbalg 4 kann auch einstückig ausgebildet sein, wobei die einzelnen Ringscheiben durch Formvorgänge gebildet sind und an ihren radialen inneren und äußeren Ringbereichen einstückig in eine benachbarte Scheibe 4.3 übergehen.

Claims

Entkopplungselement, insbesondere zur Entkopplung von Schwingungen des Turboladers eines Verbrennungsmotors gegenüber einer Abgasanlage, mit einem Balg, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg ein Membranbalg (4) ist.
Entkopplungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baulänge des Entkopplungselements, einschließlich Balg und gegebenenfalls eines Dämpfungskissens (8), aber ohne Anschlussteile 10 mm bis 50 mm, vorzugsweise 20 mm bis 40 mm beträgt.
Entkopplungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baulänge des Balgs 10 mm bis 25 mm, vorzugsweise 10 mm bis 20 mm beträgt.
Entkopplungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung (Länge einer Balgwelle) weniger als 4 mm, vorzugsweise weniger als 3 mm beträgt.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenzahl des Balgs 3 bis 10 Wellen, vorzugsweise 5 bis 8 Wellen beträgt.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Steifigkeit des Balgs weniger als 200 N/mm, vorzugsweise weniger als 100 N/mm beträgt.
Entkopplungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Balgsteifigkeit 0,1 N/mm bis 100 N/mm, vorzugsweise 1 N/mm bis 10 N/mm beträgt.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftfluss zwischen Balg und einem Anschlusselement (6) des Entkopplungselements (3) ein ringförmiges Dämpfungskissen (8) aus Drahtgewebe angeordnet ist.
Entkopplungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Ende (4.1) des Membranbalgs (4) ein Rohrstück (5.1) mit auf axialem Abstand zueinander angeordneten nach außen gerichteten Radialflanschen (5.3) befestigt ist und am anderen Ende (4.2) des Membranflansches (4) ein Gehäuse (7) mit mit axialem Abstand zueinander angeordneten, nach innen gerichteten Radialflanschen (7.2) befestigt ist, dass jeweils ein nach außen und ein nach innen gerichteter Radialflansch (5.3, 7.2) im entlasteten Zustand des Entkopplungselements (3) in radialer Richtung fluchten und dass zwischen den Radialflanschen (5.3, 7.2) das ringförmige Dämpfungskissen (8) angeordnet ist.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich radial innerhalb des Membranbalgs (4) ein Leitrohr (5.4) über mindestens die Länge des Membranbalgs (4) erstreckt.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein sich zu seinem freien Ende hin erweiterndes Anschlussrohr (6) aufweist, das vorzugsweise mit einem sich durch den Balg erstreckenden Leitrohr (5.4) verbunden ist.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranbalg (4) mehrlagig ausgeführt ist.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der Wellen des Membranbalgs (4) konusförmig ausgebildet sind.
Entkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der Wellen des Membranbalgs (4) in radialer Richtung wellenförmig verlaufen (im Axialschnitt wellenförmig ausgebildet sind).
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nenndurchmesser (Innendurchmesser der Balgwellen) zwischen 30 mm und 100 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 60 mm und 70 mm liegt.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Membranbalgs (4) zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,2 mm liegt.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Stärke des ringförmigen Dämpfungskissens zwischen 3 mm und 30 mm, vorzugsweise zwischen 6 mm und 12 mm liegt.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Dämpfungskissen eine Dichte zwischen 2 g/cm³–5 g/cm³, vorzugsweise zwischen 2,5 g/cm³ und 3,5 g/cm³ hat.
Entkopplungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung zwischen 500 Hz und 1500 Hz mindestens 3 dB beträgt.