DE102014108429A1

DE102014108429A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren

Info

Publication number: DE102014108429A1
Application number: DE102014108429.2A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Mercker; Jésus Michel Lopez-Ratouis
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: DE102014108429B4; WO2015193244A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Werkzeug zum Hochdruckumformen und Vorspannen einer Rohrwand 1.1 eines Abgasrohres 1 einer Brennkraftmaschine gegen einen im Abgasrohr 1 angeordneten Körper 2 durch Anwendung eines gegen eine Außenseite 1.2 der Rohrwand 1.1 anlegbaren Werkzeugs 3, durch das Einbringen des Körpers 2 in das Abgasrohr 1, wobei der Körper 2 mittelbar über ein Lagerelement 2.1 oder unmittelbar gegen die Rohrwand 1.1 zumindest teilweise zur Anlage gebracht wird und/oder das Einlegen des Abgasrohres 1 in das Werkzeug 3. Dabei wird zumindest ein Abschnitt (1.3) der Außenseite (1.2) der Rohrwand (1.1) gegenüber der Atmosphäre mittels des Werkzeugs 3 und der Bildung einer Druckkammer 3.1 zwischen der Außenseite 1.2 der Rohrwand 1.1 und dem Werkzeug 3 abgeschottet, Zuführen von Gas und/oder Fluid 4 in die Druckkammer 3.1 zugeführt, die Rohrwand 1.1 in radialer Richtung R plastisch verformt sowie der Druck abgelassen und das Abgasrohr 1 aus dem Werkzeug 3 entnommen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Hochdruckumformen und Vorspannen einer Rohrwand eines Abgasrohres einer Brennkraftmaschine gegen einen im Abgasrohr angeordneten Körper durch Anwendung eines gegen eine Außenseite der Rohrwand anlegbaren Werkzeugs durch folgende Verfahrensschritte:

– Einbringen des Körpers in das Abgasrohr, wobei der Körper mittelbar über ein Lagerelement oder unmittelbar gegen die Rohrwand zumindest teilweise zur Anlage gebracht wird;
– Einlegen des Abgasrohres in das Werkzeug.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zum Vorspannen einer Rohrwand eines Abgasrohres einer Brennkraftmaschine gegen einen im Abgasrohr angeordneten Körper mit einem gegen eine Außenseite der Rohrwand anlegbaren Werkzeug mit einer eine Symmetrieachse aufweisenden Werkzeugwand, wobei das Werkzeug mindestens zwei der Form der Außenseite des Abgasrohres nach ausgebildete Aufnahmen aufweist, die unmittelbar oder mittelbar gegen die Rohrwand anlegbar sind.
Zudem bezieht sich die Erfindung auf ein Abgasrohr zur Verwendung in einem Hochdruckumformverfahren zwecks Hochdruckumformung von zumindest einem Abschnitt des Abgasrohres.
Es ist bereits ein Verfahren zum Kalibrieren von Abgasrohren zwecks Montage eines Katalysatorkörpers aus der EP 1 138 892 A2 bekannt. Hierbei wird das Abgasrohr nach dem Einsetzen des mit einer Matte umwickelten Katalysatorkörpers von außen mittels einer Pressbacke in radialer Richtung derart gepresst, dass das Abgasrohr die Form der Pressbacke annimmt. Die Form der Pressbacke bestimmt sich unter anderem nach dem Außendurchmesser des Katalysatorkörpers und der Dicke bzw. Art der verwendeten Matte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren derart auszubilden und anzuordnen, dass Katalysatorkörper verschiedener Größe mit Matten unterschiedlichen Aufbaus kalibriert werden können.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch

– Abschotten von zumindest einem Abschnitt der Außenseite der Rohrwand gegenüber der Atmosphäre mittels des Werkzeugs und Bildung einer Druckkammer zwischen der Außenseite der Rohrwand und dem Werkzeug;
– Zuführen von Gas und/oder Fluid in die Druckkammer;
– plastisches Verformen der Rohrwand in radialer Richtung R;
– Ablassen des Druckes und Entnehmen des Abgasrohres aus dem Werkzeug.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß auch dadurch, dass das Werkzeug auf seiner Innenseite eine sich in radialer Richtung R zur Symmetrieachse erstreckende Ausnehmung aufweist, die in axialer Richtung a zur Symmetrieachse zwischen den beiden Aufnahmen angeordnet ist, und dass das Werkzeug einen Druckmittelkanal aufweist, der durch die Werkzeugwand führt und in der Ausnehmung mündet. Durch die konkave Ausprägung des Werkzeugs und den nach außen führenden Druckmittelkanal wird eine zirkumferenziell um das Abgasrohr angeordnete Druckkammer gebildet, über die eine erfindungsgemäße Beaufschlagung des Abgasrohres mit Druck möglich ist.
Die Umformung, mithin die Abschottung erfolgt im Bereich des eingelegten Körpers zwecks Bildung der gewünschten Lagerkraft des Körpers. Durch das Zuführen von Gas und/oder Fluid erfolgt eine Erhöhung des Drucks auf einen Solldruck, aufgrund dessen die Rohrwand kollabiert. Durch den Druck kommt es zu einer Reduktion des Durchmessers, bis ein Gleichgewicht zwischen der Druckkraft einerseits und der Gegenkraft, gebildet aus elastischer Verformung der Rohrwand und der Lagerkraft des Körpers, andererseits hergestellt ist. Die Lagerkraft entspricht der Anlagekraft zwischen der Rohrwand und dem Körper bzw. dem Lagerelement. Hierfür kann es erforderlich sein, den Solldruck über eine gewisse Zeitspanne zu halten, bis die Verformung des Rohres vollzogen ist.
Somit wird die Vorspannung auf den Körper bzw. die Lagerkraft an die lokalen Gegebenheiten des Körpers bzw. des Lagerelements individuell angepasst. Das Kräftegleichgewicht stellt sich unabhängig von Abweichungen des Durchmessers oder im Aufbau des Lagerelements immer gleich ein.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn zumindest ein Teil des Abschnitts der Rohrwand über mindestens ein Heizelement erwärmt wird. Durch die Erwärmung, beispielsweise auf eine Solltemperatur Ts zwischen 0–1500°C, insbesondere 300°C bis 600°C wird das Elastizitätsmodul der Rohrwand um bis zu 99% reduziert. Somit ist ein geringerer Druck ausreichend, um die Rohrwand zu verformen. Die Erwärmung erfolgt zumindest innerhalb der Druckkammer und kann vor und/oder während und/oder nach der Druckerhöhung stattfinden. Eine Erwärmung kann alternativ oder ergänzend auch außerhalb der Druckkammer stattfinden. Diese Vorteile werden auch erreicht, wenn innerhalb der Ausnehmung mindestens ein Heizelement vorgesehen ist, mittels dessen das Abgasrohr erwärmbar ist. Die Erwärmung kann auch durch Zufuhr eines entsprechend temperierten Fluids erreicht werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn durch ein Verformungshilfsmittel zumindest eine lokale Verformung V der Rohrwand innerhalb des Teilabschnitts erzeugt wird, als Startpunkt für die gewünschte Hochdruckumformung. Vorrichtungsseitig kann es vorteilhaft sein, wenn in der Ausnehmung ein Verformungshilfsmittel vorgesehen ist, das zwecks lokaler Verformung der Rohrwand zumindest punkt- oder linienförmig gegen die Rohrwand anlegbar ist.
Durch die lokale Verformung V der Rohrwand kommt es zu einer Abweichung des Querschnitts von der symmetrischen Kreisform, so dass die Rohrwand ausgehend von dieser Verformung durch den außen anliegenden Druck kollabiert. Als Verformungshilfsmittel kommt zum einen in Frage ein Impulsgeber in Form einer Druck-, Stoß- oder Schlagmechanik. Ein lokaler Schallgeber ist auch denkbar. Hierzu könnte eine der Druckbeaufschlagung überlagerte Pulsation generiert werden. Alternativ kann die Abweichung von der Kreisform auch durch einen Schwingungsgeber eingeleitet werden, durch den die Rohrwand zumindest lokal und zumindest kurzzeitig in Resonanzschwingung versetzt wird. Der Impulsgeber ist innerhalb der Druckkammer angeordnet und wirkt zumindest punkt- oder linienförmig auf die Rohrwand ein. Der Schwingungsgeber könnte auch außerhalb der Druckkammer platziert werden, je nachdem wie weitreichend die Resonanzschwingung durch die Rohrwand abgebildet wird. Die lokale Verformung V kann vor und/oder während und/oder nach der Druckerhöhung erzeugt werden. Gleiches gilt in Bezug auf die Erwärmung, d. h. die lokale Verformung V kann vor und/oder während und/oder nach der Erwärmung stattfinden.
Die Stoß- bzw. Schlagmechanik kann ausgebildet sein als Schlagbolzen oder Verformungshammer mit einem in Wirkverbindung stehenden Aktor, beispielsweise ein Motor oder ein Vorspannmittel, wie eine Gasfeder, eine Elastomer-Feder oder eine Metallfeder. Die Feder oder der Aktor kann zusammen wirken mit einem Schlagbolzen, über den die Verformung generiert wird. In einfacher Ausführung kann als Druckmechanik auch in Betracht kommen eine in der Rohrwand geführte Schraube, die durch entsprechende Rotation axial gegen die Rohrwand vorspannbar ist.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn das Lagerelement in Bezug auf eine axiale Richtung a des Abgasrohres gehalten oder vorgespannt wird bzw. zumindest ein Halteteil vorgesehen ist, über das das Lagerelement in axialer Richtung a fixierbar oder vorspannbar ist. Somit wird eine ausreichende Klemmung in radialer Richtung R des Lagerelements erreicht.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Abgasrohr vor dem Hochdruckumformen eine Umformung erfährt, wobei ein Rohrquerschnitt Q des Abgasrohres zumindest an einer Stelle des umzuformenden Abschnitts in eine vom Kreis abweichende Form gebracht wird. Die Umformung des Abgasrohres kann auch im Vorfeld der Hochdruckumformung, beispielsweise im Zusammenhang mit der Vormontage erfolgen. Somit können Querschnittte erzeugt werden, die per se unrund, beispielsweise mit einer Abflachung oder polygonale Querschnitte oder regellose Formen, sind. Im Fall der Abflachung ist eine Flachstelle gegeben, an der als Schwachstelle die Umformung startet. Im Fall eines polygonalen Querschnitts sind mehrere Schwachstellen über den Umfang gegeben, an denen die Umformung starten kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Abgasrohr weist der Rohrquerschnitt Q des Abgasrohres zumindest an einer Stelle des umzuformenden Abschnitts eine vom Kreis abweichende Form auf.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines Werkzeugs mit eingelegter Rohrwand;
2 eine Prinzipskizze nach 1 mit verformter Rohrwand;
3a, 3b eine Rohrwand mit lokaler Verformung;
4a, 4b eine Rohrwand mit unrunder Querschnittsform.
Ein Werkzeug 3 weist zwei Gehäusehälften 3a, 3b mit einer Symmetrieachse 3.2 auf, die gegen eine Rohrwand 1.1 eines Abgasrohrs 1 anlegbar sind. Hierzu weisen die Gehäusehälften 3a, 3b eine dem Querschnitt Q der Rohrwand 1.1 entsprechende Aufnahme 3.4, 3.5 auf, die gemäß 1 mittelbar über eine Dichtung 3.9 gegen die Rohrwand 1.1 dichtend anlegbar ist. Die jeweilige Gehäusehälfte 3a, 3b bzw. das Werkzeug 3 weist zudem eine Ausnehmung 3.7 auf, die als Druckkammer 3.1 ausgebildet ist. Innerhalb der Druckkammer 3.1 sind mehrere Heizelemente 5.1, 5.2 vorgesehen.
Mittels der Druckkammer 3.1 kann die Rohrwand 1.1 durch Beaufschlagung derselben mit Druck radial nach innen verformt werden, so dass diese gegen einen Katalysatorkörper 2 vorspannbar ist (2). Hierzu ist der Katalysatorkörper 2 über ein als Lagermatte ausgebildetes Lagerelement 2.1 innerhalb des Abgasrohrs 1 gelagert. Der Durchmesser bzw. die Größe dieser Baugruppe bestehend aus Katalysatorkörper 2 und Lagerelement 2.1 ist so gewählt, dass diese in das unverformte Rohr 1 gemäß 1 einschiebbar ist. Damit die Baugruppe einen festen Sitz innerhalb des Abgasrohres 1 bekommt, wird die Rohrwand 1.1 über die Beaufschlagung der Druckkammer 3.1 mit Druck, mithin mit einem Gas bzw. Fluid 4, welches über einen Druckmittelkanal 3.8 in die Druckkammer 3.1 zugeführt wird, verformt bzw. gequetscht (2). Die Verformung der Rohrwand 1.1 erfolgt in radialer Richtung R.
Die Verformung der Rohrwand 1.1 wird erleichtert, wenn diese vor, während oder nach der Druckbeaufschlagung erhitzt wird. Hierzu sind innerhalb der Druckkammer 3.1 besagte Heizelemente 5.1, 5.2 vorgesehen. Die Heizelemente 5.1, 5.2 sind in dem Bereich einer Innenseite 3.6 der Druckkammer 3.1 angeordnet.
Damit die Verformung des Abgasrohres 1 leichter vonstattengeht, insbesondere bei Abgasrohren 1.1 mit kreisrundem Querschnitt Q, ist ein Verformungshilfsmittel 6 vorgesehen, hier in Form eines Schlagbolzens 6, der unter Anwendung eines entsprechenden Antriebs 6.1 wie beispielsweise eine Gasfeder oder ein Elektroantrieb gegen die Rohrwand 1.1 fahrbar ist. Somit ist eine lokale Verformung V über das Verformungshilfsmittel 6 generierbar. Letzteres derart, dass die Rohrwand 1.1 lokal verformt, so dass ausgehend von dieser lokalen Verformung (1) unter Anwendung des Druckes sowie ergänzend vorteilshafterweise der Erwärmung der Rohrwand 1.1 die umfassende Verformung der Rohrwand 1.1, mithin das Anliegen der Rohrwand 1.1 gegen die Baugruppe bestehend aus Katalysatorkörper 2 und Lagerelement 2.1 gewährleistet wird (2).
Zusätzlich sind stirnseitig innerhalb des Abgasrohres 1 Halteteile 7.1, 7.2 vorgesehen, über die das Lagerelement 2.1 und mittelbar der Katalysatorkörper 2 in axialer Richtung a gehalten werden. Ergänzend hierzu sind stirnseitig Spreizdorne 8.1, 8.2 vorgesehen, über die die ursprüngliche Form der Rohrwand 1.1 gehalten bzw. gewährleistet wird. Mithin erfolgt die Verformung der Rohrwand 1.1 nur innerhalb der Druckkammer 3.1 und im Bereich zwischen den beiden Spreizdornen 8.1, 8.2, letzteres mit Bezug auf die axiale Richtung a.
Nach 3a, 3b sind zwei Rohrquerschnitte Q mit einer lokalen Vorverformung V in Form einer Kerbe nach 3a und in Form einer Flachstelle gemäß 3b gezeigt. Bei Anwendung einer solchen Rohrwand 1.1 ist ein Verformungshilfsmittel 6 gemäß den 1 und 2 nicht mehr notwendig. Bei Anwendung des vorbenannten Druckes erfolgt eine Verformung der Rohrwand 1.1 in radialer Richtung R, mithin ein Anlegen an die Katalysatorkörper-Lagerelement-Baugruppe ausgehend von der Verformung V.
Alternativ könnte die Rohrwand 1.1 auch eine vom Kreis abweichende Querschnittsform Q gemäß Ausführungsbeispiel 4a, 4b, also polygonal, oval, oder auch (nicht dargestellt) eine beliebige unrunde Freiform, haben. Auch in diesem Fall erfolgt die radiale Verformung aufgrund der Druckbelastung. Letzteres ausgehend von der jeweiligen Flachstelle nach 4a bzw. ausgehend von der Zone mit größerem Rohrradius gemäß 4b.
Alternativ zu der Variante mit Heizelementen 5.1, 5.2 kann es auch vorgesehen sein, ein heißes Gas bzw. ein heißes Fluid in die Druckkammer 3.1 zuzuführen und dadurch die Anordnung der Heizelemente 5.1, 5.2 zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

1: Abgasrohr
1.1: Rohrwand
1.2: Außenseite
1.3: Abschnitt
1.4: Stelle
2: Körper, Katalysatorkörper
2.1: Lagerelement
3: Werkzeug
3a: Gehäusehälfte
3b: Gehäusehälfte
3.1: Druckkammer
3.2: Symmetrieachse
3.3: Werkzeugwand
3.4: Aufnahme
3.5: Aufnahme
3.6: Innenseite
3.7: Ausnehmung
3.8: Druckmittelkanal
3.9: Dichtung
4: Gas/Fluid
5.1: Heizelement
5.2: Heizelement
6: Verformungshilfsmittel, Schlagbolzen, Verformungshammer
6.1: Aktor, Motor, Feder
7.1: Halteteil
7.2: Halteteil
8.1: Spreizdorn
8.2: Spreizdorn
a: axiale Richtung
Q: Rohrquerschnitt
R: radiale Richtung
V: Verformung

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 1138892 A2 [0004]

Claims

Verfahren zum Hochdruckumformen und Vorspannen einer Rohrwand (1.1) eines Abgasrohres (1) einer Brennkraftmaschine gegen einen im Abgasrohr (1) angeordneten Körper (2) durch Anwendung eines gegen eine Außenseite (1.2) der Rohrwand (1.1) anlegbaren Werkzeugs (3), durch folgende Verfahrensschritte: – Einbringen des Körpers (2) in das Abgasrohr (1), wobei der Körper (2) mittelbar über ein Lagerelement (2.1) oder unmittelbar gegen die Rohrwand (1.1) zumindest teilweise zur Anlage gebracht wird; – Einlegen des Abgasrohres (1) in das Werkzeug (3), gekennzeichnet durch – Abschotten von zumindest einem Abschnitt (1.3) der Außenseite (1.2) der Rohrwand (1.1) gegenüber der Atmosphäre mittels des Werkzeugs (3) und Bildung einer Druckkammer (3.1) zwischen der Außenseite (1.2) der Rohrwand (1.1) und dem Werkzeug (3); – Zuführen von Gas und/oder Fluid (4) in die Druckkammer (3.1); – plastisches Verformen der Rohrwand (1.1) in radialer Richtung R; – Ablassen des Druckes und Entnehmen des Abgasrohres (1) aus dem Werkzeug (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Abschnitts (1.3) der Rohrwand (1.1) über mindestens ein Heizelement (5.1) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Verformungshilfsmittel (6) zumindest eine lokale Verformung V der Rohrwand (1.1) innerhalb des Abschnitts (1.3) erzeugt wird, als Startpunkt für die gewünschte Hochdruckumformung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (2.1) in Bezug auf eine axiale Richtung a des Abgasrohres (1) gehalten oder vorgespannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr (1) vor dem Hochdruckumformen eine Umformung erfährt, wobei ein Rohrquerschnitt Q des Abgasrohres (1) zumindest an einer Stelle (1.4) des umzuformenden Abschnitts (1.3) in eine vom Kreis abweichende Form gebracht wird.
Abgasrohr (1) zur Verwendung in einem Hochdruckumformverfahren zwecks Hochdruckumformung von zumindest einem Abschnitt (1.3) des Abgasrohres (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrquerschnitt Q des Abgasrohres (1) zumindest an einer Stelle (1.4) des umzuformenden Abschnitts (1.3) eine vom Kreis abweichende Form aufweist.
Werkzeug (3) zum Vorspannen einer Rohrwand (1.1) eines Abgasrohres (1) einer Brennkraftmaschine gegen einen im Abgasrohr (1) angeordneten Körper (2) aufweisend eine gegen eine Außenseite (1.2) der Rohrwand (1.1) anlegbare, eine Symmetrieachse (3.2) aufweisende Werkzeugwand (3.3) und mindestens zwei der Form der Außenseite (1.2) des Abgasrohres (1) nach ausgebildete Aufnahmen (3.4, 3.5), die unmittelbar oder mittelbar gegen die Rohrwand (1.1) anlegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (3) auf seiner Innenseite (3.6) eine sich in radialer Richtung R zur Symmetrieachse (3.2) erstreckende Ausnehmung (3.7) aufweist, die in axialer Richtung a zur Symmetrieachse (3.2) zwischen den beiden Aufnahmen (3.4, 3.5) angeordnet ist, und dass das Werkzeug (3) einen Druckmittelkanal (3.8) aufweist, der durch die Werkzeugwand (3.3) führt und in der Ausnehmung (3.7) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Ausnehmung (3.7) mindestens ein Heizelement (5.1) vorgesehen ist, mittels dessen das Abgasrohr (1) erwärmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Halteteil (7.1, 7.2) vorgesehen ist, über das das Lagerelement (2.1) in axialer Richtung a fixierbar oder vorspannbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausnehmung (3.7) ein Verformungshilfsmittel (6) vorgesehen ist, das zwecks lokaler Verformung der Rohrwand (1.1) zumindest punkt- oder linienförmig gegen die Rohrwand (1.1) anlegbar ist.