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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Führungselements zum Führen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau sind Führungselemente zum Führen von Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Kraftwagen, bereits hinlänglich bekannt. Ein solches Führungselement wird auch als abgasführendes Bauteil bezeichnet und kommt üblicherweise in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz. Die Verbrennungskraftmaschine weist üblicherweise wenigstens einen Brennraum, insbesondere in Form eines Zylinders, auf, in welchem Kraftstoff-Luft-Gemische verbrannt werden. Daraus resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine, welches aus dem Brennraum aus- und in den Abgastrakt einströmt. Das Abgas durchströmt den Abgastrakt und somit das abgasführende Bauteil (Führungselement), mittels welchem das Abgas geführt wird. Ein solches abgasführendes Bauteil wird auch als abgasführendes Rohr oder Verrohrung bezeichnet.
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Abgasführende Bauteile sind üblicherweise aus hitzebeständigen Materialien wie zum Beispiel Blech gebildet und/oder können als Gussbauteile ausgebildet sein. Üblicherweise sind derartige abgasführende Bauteile in dem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine durch Schiebesitze miteinander verbunden. Dies bedeutet, dass die abgasführenden Bauteile (Führungselemente) untereinander gesteckt sind. Hierzu weist das jeweilige Führungselement wenigstens einen Steckbereich auf, über welchen das Führungselement mit einem weiteren Führungselement verbunden ist. Dabei weist beispielsweise das weitere Führungselement ebenfalls einen weiteren Steckbereich auf, wobei die Steckbereiche miteinander verbunden sind, sodass die Führungselemente durch wenigstens einen Schiebesitz miteinander verbunden sind. Ein solcher Schiebesitz lässt beispielsweise temperaturbedingte Relativbewegungen zwischen den Führungselementen zu, sodass es nicht zu übermäßigen Verspannungen der Führungselemente kommt.
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In vielen Fällen genügen den Steckbereichen bezüglich ihrer Spaltwerte eine normale Spaltgröße und Toleranz. Dies bedeutet, dass durch solche Spalte ein gewisses Maß an Abgas in Form eines Leckagestroms aus dem Abgastrakt entweichen kann. In besonderen Fällen genügen diese einfachen Schiebesitze mit dadurch bewirkten Steckverbindungen jedoch nicht, da die Führungselemente zwar einfach miteinander gefügt sind, jedoch ein Leckagestrom unerwünscht ist.
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Ein solches abgasführendes Bauteil (Führungselement) ist beispielsweise ein luftspaltisolierter Krümmer, welcher auch als luftspaltisolierter Abgaskrümmer bezeichnet wird. Ein solcher luftspaltisolierter Abgaskrümmer ist in der Regel mehrteilig ausgeführt und beispielsweise in Blechschalen-Bauweise oder mittels IHU-Technik hergestellt. Unter der IHU-Technik (IHU – innenhochdruckumgeformt) ist zu verstehen, dass beispielsweise Bauelemente des Abgaskrümmers innenhochdruckumgeformt sind. Dies bedeutet, dass ein solcher luftspaltisolierter Abgaskrümmer üblicherweise eine Mehrzahl von Bauelementen beziehungsweise einzelne, gasführende Einzelteile umfasst, welche in der Regel über wenigstens einen Schiebesitz miteinander verbunden sind. Dieser Schiebesitz lässt Wärmeausdehnungen und somit etwaige Relativbewegungen zwischen den Einzelteilen zu. Üblicherweise besitzt ein solcher Schiebesitz zur Funktionalität einen umlaufenden Spalt. Je nach Größe des Spaltes kann durch den Spalt mehr oder weniger Abgas in einen Isolationsraum zwischen den Einzelteilen gelangen.
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Der luftspaltisolierte Abgaskrümmer weist üblicherweise wenigstens ein von dem Abgas durchströmbares Innenteil und wenigstens ein Außenteil auf, wobei das Innenteil in dem Außenteil aufgenommen ist. Dabei ist zwischen dem Innenteil und dem Außenteil der genannte Isolationsraum gebildet. Das Innenteil weist mehrere Einzelteile auf, die über wenigstens einen Schiebesitz miteinander verbunden sind, sodass auf die geschilderte Weise Abgas in den Isolationsraum gelangen kann. Dies wirkt sich zum einen nachteilig auf die Stabilität der tragenden Außenstruktur aus, da das Außenteil durch das in den Isolationsraum strömende Abgas besonders stark erwärmt wird. Ferner kann das Einströmen von Abgas aus dem Innenteil in den Isolationsraum zu einem insgesamt schlechteren Wirkungsgrad des Abgastrakts beziehungsweise einem verschlechterten Anspringverhalten eines eventuell nachgelagerten Turboladers führen, da das durch den Spalt in den Isolationsraum strömende Abgas in Form von Verlustgas nicht mehr einer Turbine des Abgasturboladers in direktem Weg zur Verfügung steht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem abgasführende Bauteile mit einer sehr geringen Toleranz gefertigt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Umformen eines Führungselements zum Führen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine wird das Führungselement in wenigstens einem Steckbereich umgeformt, über welchen das Führungselement mit wenigstens einem weiteren Führungselement zum Führen des Abgases mittels eines Schiebesitzes verbindbar ist. Bei einem ersten Schritt des Verfahrens wird eine Matrize bereitgestellt, welche eine beispielsweise als Durchgangsöffnung ausgebildete Öffnung aufweist. Die Öffnung der Matrize weist zumindest in einem ersten Längenbereich einen Innenumfang auf. Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird das Führungselement in der Öffnung der Matrize derart angeordnet, dass ein zweiter Längenbereich des Führungselements in dem ersten Längenbereich der Öffnung angeordnet ist und der an den zweiten Längenbereich des Führungselements anschließende Steckbereich auf wenigstens einer Seite der Matrize den ersten Längenbereich überragt und sich an den ersten Längenbereich der Öffnung anschließt. Mit anderen Worten ragt der Steckbereich des Führungselements in seiner Längserstreckungsrichtung aus dem ersten Längenbereich der Öffnung heraus, sodass sich der Steckbereich in seiner Längserstreckungsrichtung an den ersten Längenbereich der Öffnung anschließt.
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Bei einem dritten Schritt des Verfahrens wird von der Seite her ein Dorn in den Steckbereich eingeführt, wodurch der Steckbereich mittels des Dorns derart aufgeweitet wird, dass der Steckbereich nach dem Aufweiten einen Außenumfang aufweist, welcher größer als der Innenumfang des ersten Längenbereichs der Öffnung ist. Bei einem vierten Schritt des Verfahrens wird die Matrize von dem Steckbereich in Richtung des Dorns abgezogen, während der Dorn in dem zweiten Teil verbleibt, wodurch mittels der Matrize und des Dorns eine Wanddickenreduzierung des Steckbereichs bewirkt wird.
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Da der Steckbereich mittels des Dorns aufgeweitet wird und demzufolge einen Außenumfang aufweist, welcher größer als der Innenumfang der Öffnung ist, und da daran anschließend die Matrize von dem Steckbereich in Richtung des Dorns abgezogen wird, sodass während des Abziehens der Steckbereich in radialer Richtung zwischen den Dorn und die Matrize gelangt, wird im Rahmen der Wanddickenreduzierung des Steckbereichs eine erste Wanddicke oder Wandstärke des Steckbereichs auf eine demgegenüber geringere Wanddicke beziehungsweise Wandstärke reduziert. Mit anderen Worten wird die Matrize über den Dorn abgestreift, wodurch die Wanddicke des Steckbereichs verringert wird. Im Rahmen der Wanddickenreduzierung mittels der Matrize verdrängtes, überschüssiges Material wird in Form einer Bauteilstreckung, das heißt einer Längenzunahme des Steckbereichs, kompensiert. Mit anderen Worten wird die Wandstärke des Steckbereichs beim Abziehen der Matrize verringert, wobei gleichzeitig der Steckbereich verlängert wird.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Steckbereich mit sehr genauen beziehungsweise sehr geringen Toleranzen gefertigt werden, sodass das Führungselement über seinen Steckbereich mit einem korrespondierenden, weiteren Steckbereich des weiteren Führungselements mittels eines Schiebesitzes verbunden werden kann, welcher einen nur sehr geringen Steckspalt aufweist. Dies bedeutet, dass die Führungselemente mittels eines Schiebesitzes miteinander verbunden werden können, sodass der Schiebesitz beispielsweise thermisch bedingte Relativbewegungen zwischen den Führungselementen zulässt. Gleichzeitig kann jedoch der Steckspalt des Schiebesitzes gering gehalten werden, sodass ein Leckagestrom des Abgases besonders gering gehalten werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei für Führungselemente zum Einsatz kommen, bei denen Steckspalte mit sehr genauen Toleranzen und geringen Werten gefordert sind.
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Das zu steckende Führungselement an sich kann in normaler Qualität, wie sie aus der Rohrumformtechnik, der IHU-Technik (IHU – innenhochdruckumgeformt) oder der Rohrendbearbeitung bekannt ist, erstellt werden. An Stellen wie dem Steckbereich, an denen besondere Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden, kann das Führungselement mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeitet werden, um dadurch den einen Schiebesitzbereich darstellenden Steckbereich besonders präzise mit nur geringen Toleranzen bearbeiten beziehungsweise herstellen zu können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Perspektivansicht eines Führungselements in Form eines luftspaltisolierten Abgaskrümmers zum Führen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Führungselement wenigstens einen Steckbereich aufweist, über welchen das Führungselement mit wenigstens einem weiteren Führungselement zum Führen des Abgases mittels eines Schiebesitzes verbindbar ist;
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2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Führungselements, welches mittels eines Verfahrens zum Umformen des Führungselements umgeformt wird;
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3 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht des Führungselements bei dem Verfahren;
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4 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht des Führungselements bei dem Verfahren; und
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5 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht des Führungselements bei dem Verfahren.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Führungselement zum Führen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens. Das Führungselement 10 ist vorliegend ein Innenteil eines luftspaltisolierten Abgaskrümmers, wobei der luftspaltisolierte Abgaskrümmer in seinem fertig hergestellten Zustand auch ein in 1 nicht erkennbares Außenteil umfasst, in welchem das Innenteil aufgenommen ist. Aus 1 ist erkennbar, dass das Innenteil eine Mehrzahl von Einzelteilen 12a–d aufweist, welche von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar sind. Die Einzelteile 12a–d sind ebenfalls Führungselemente zum Führen des Abgases, wobei die Einzelteile 12a–d jeweilige Steckbereiche 14 aufweisen, über welche das Einzelteil 12a mit dem Einzelteil 12b beziehungsweise das Einzelteil 12c mit dem Einzelteil 12d mittels jeweiliger Schiebesitze verbunden sind. Mit anderen Worten sind die Einzelteile 12a und 12b beziehungsweise 12c und 12d über jeweilige Schiebesitze miteinander verbunden, wobei diese Schiebesitze die jeweiligen Steckbereiche 14 umfassen. In den Steckbereichen 14 sind die Einzelteile 12a und 12b beziehungsweise 12c und 12d ineinander gesteckt.
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Das Führungselement 10 wird auch als abgasführendes Bauteil oder abgasführendes Rohr bezeichnet, da mittels des Führungselements 10 das Abgas geführt wird. Das Führungselement 10 beziehungsweise der luftspaltisolierte Abgaskrümmer ist beispielsweise Bestandteil eines von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakts der Verbrennungskraftmaschine, wobei der Abgastrakt auch als Abgasstrang bezeichnet wird. Im fertig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine ist in dem Abgastrakt eine in 1 nicht erkennbare Turbine eines Abgasturboladers angeordnet. Dabei weist das Führungselement 10 weitere Steckbereiche 16 auf, über welche das Führungselement 10 unter Ausbildung jeweiliger Schiebesitze mit der Turbine verbindbar ist. Die Turbine weist beispielsweise mit den Steckbereichen 16 korrespondierende Steckbereiche auf, wobei das Führungselement 10 und die Turbine, insbesondere ein Turbinengehäuse der Turbine, über ihre jeweiligen Steckbereiche ineinander gesteckt sind. Hierdurch ist das Führungselement 10 auch mit der Turbine mittels wenigstens eines Schiebesitzes verbunden, welcher die Steckbereiche der Turbine und die Steckbereiche 16 umfasst. Auch die Turbine beziehungsweise ihr Turbinengehäuse ist ein abgasführendes Bauteil, da das Abgas die Turbine durchströmt.
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Die Schiebesitze, über welche die abgasführenden Bauteile miteinander verbunden sind, lassen jeweilige, thermisch bedingte Relativbewegungen beziehungsweise Wärmeausdehnungen zwischen den abgasführenden Bauteilen zu, sodass übermäßige Verspannungen der abgasführenden Bauteile beziehungsweise des Abgasstrangs insgesamt vermieden werden können. Der jeweilige Schiebesitz weist dabei einen Spalt auf, welcher auch als Steckspalt bezeichnet wird, da die jeweiligen abgasführenden Bauteile ineinander gesteckt sind.
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Um dabei einen übermäßigen Leckagestrom des Abgases durch den jeweiligen Steckspalt zu vermeiden beziehungsweise einen solchen Leckagestrom besonders gering zu halten, ist es erforderlich, das jeweilige abgasführende Bauteil in seinem jeweiligen Steckbereich besonders präzise und somit mit nur geringen Toleranzen zu bearbeiten, insbesondere umzuformen.
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Im Folgenden wird anhand von 2 bis 5 am Beispiel des Steckbereichs 16 ein Verfahren zum Umformen des Führungselements 10 beschrieben, wobei das Führungselement 10 im Rahmen des Verfahrens zumindest im Steckbereich 16 umgeformt wird, über welchen das Führungselement 10 später mit der Turbine zum Führen des Abgases mittels eines Schiebesitzes verbunden wird. Die vorigen und folgenden Ausführungen zu dem Verfahren in Bezug zum Steckbereich 16 können ohne weiteres auch auf die anderen Steckbereiche 14 übertragen werden.
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Bei einem aus 2 erkennbaren ersten Schritt des Verfahrens wird eine formgebende, bauteilkonturumgebende Matrize 18 bereitgestellt. Die Matrize 18 weist eine vorliegend als Durchgangsöffnung ausgebildete Öffnung 20 auf, welche in einem ersten Längenbereich 22 einen Innenumfang aufweist. Im ersten Längenbereich 22 ist die Öffnung 20 beispielsweise zumindest im Wesentlichen kreisrund ausgebildet, sodass die Matrize 18 im ersten Längenbereich 22 einen Innendurchmesser aufweist.
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Bei einem ebenfalls aus 2 erkennbaren zweiten Schritt des Verfahrens wird das Führungselement 10 in der Öffnung 20 der Matrize 18 derart angeordnet, dass ein zweiter Längenbereich 24 des Führungselements 10 in dem ersten Längenbereich 22 der Öffnung 20 angeordnet ist und der sich in Längserstreckungsrichtung des Führungselements 10 an den zweiten Längenbereich 24 anschließende Steckbereich 16 auf einer Seite 26 der Matrize 18 den ersten Längenbereich 22 überragt und sich an den ersten Längenbereich 22 der Öffnung 20 anschließt. Mit anderen Worten ragt der Steckbereich 16 aus dem ersten Längenbereich 22 der Öffnung 20 auf der Seite 26 heraus. Aus 2 ist ferner erkennbar, dass der zweite Längenbereich 24 und der sich daran anschließende Steckbereich 16 in einem Ausgangszustand des Führungselements 10 eine erste Wandstärke t0 aufweisen. Beispielsweise wird das Führungselement 10 derart in der Öffnung 20 angeordnet, dass der Steckbereich 16 und der zweite Längenbereich 24 von einer der Seite 26 gegenüberliegenden, zweiten Seite 28 der Matrize her in die Öffnung 20 gesteckt werden, wodurch jeweilige Außenumfänge, insbesondere Außendurchmesser, des Steckbereichs 16 und des zweiten Längenbereichs 24 reduziert werden. Mit anderen Worten erfolgt eine Relativbewegung zwischen der Matrize 18 und dem Führungselement 10 entlang der Längserstreckungsrichtung des Führungselements 10 beziehungsweise des Steckbereichs 16, derart, dass der zweite Längenbereich 24 und der Steckbereich 16 von der zweiten Seite 28 her in die Öffnung 20 gesteckt werden. Vorliegend wird die Matrize 18 beispielsweise mittels eines Hydraulikzylinders von einem Ende 30 des Führungselements 10 her über den zu verformenden Steckbereich 16 und den Längenbereich 24 in eine definierte Position gefahren. Dabei wird das Führungselement 10 im zweiten Längenbereich 24 und dem Steckbereich 16 etwas eingezogen. Dies bedeutet, dass das Führungselement 10 dabei derart umgeformt wird, dass der jeweilige Außenumfang, insbesondere Außendurchmesser, des zweiten Längenbereichs 24 und des Steckbereichs 16 reduziert werden.
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Alternativ ist es denkbar, dass die Matrize 18 ohne Verformung beziehungsweise Umformung des zweiten Längenbereichs 24 und des Steckbereichs 16 in die definierte Position gefahren wird. Dieses Bewegen der Matrize 18 in die definierte Position ist in 2 durch Richtungspfeile 32 veranschaulicht, welche insbesondere eine Relativbewegung zwischen der Matrize 18 und dem Führungselement 10 veranschaulichen, wobei das Führungselement 10, insbesondere der zweite Längenbereich 24 und der Steckbereich 16, durch diese Relativbewegung auf die beschriebene Weise in der Öffnung 20 angeordnet wird beziehungsweise werden.
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Bei einem aus 3 erkennbaren dritten Schritt des Verfahrens wird von der ersten Seite 26 her ein Dorn in Form eines Konturdorns 34 in den Steckbereich 16 eingeführt, wodurch der Steckbereich 16 mittels des Konturdorns 34 derart aufgeweitet wird, dass der Steckbereich 16 nach dem Aufweiten einen Außenumfang, insbesondere Außendurchmesser, aufweist, welcher größer als der Innenumfang, insbesondere Innendurchmesser, des ersten Längenbereichs 22 der Öffnung 20 ist. Mit anderen Worten steht die Matrize 18 fest und der formgebende Konturdorn 34 wird beispielsweise mittels eines zweiten Zylinders, insbesondere Hydraulikzylinders, in den Steckbereich 16 eingefahren, sodass der Konturdorn 34 das Führungselement 10 geringfügig wieder aufweitet. Hieraus entsteht ein Außenmaß des Führungselements 10 im Steckbereich 16, wobei dieses Außenmaß vom Umfang, insbesondere Außenumfang, her etwas größer als im Bereich der Matrize 18, insbesondere im ersten Längenbereich 22, ist.
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Bei einem aus 4 erkennbaren vierten Schritt des Verfahrens wird die Matrize 18 von dem Steckbereich 16 beziehungsweise dem Führungselement 10 insgesamt in Richtung des Konturdorns 34 abgezogen, während der Konturdorn 34 im Steckbereich 16 verbleibt, wodurch der Steckbereich 16 in radialer Richtung des Konturdorns 34 zwischen diesen und die Matrize 18 gelangt. Hierdurch wird mittels der Matrize 18 und des Konturdorns 34 eine Wanddickenreduzierung des Steckbereichs 16 bewirkt. 5 zeigt das Führungselement 10 bei einem Schritt des Verfahrens, bei welchem der Steckbereich 16 fertig verformt beziehungsweise umgeformt ist und dabei eine zweite Wandstärke t1 aufweist, welche geringer als die ursprüngliche, erste Wandstärke t0 ist.
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Die Matrize 18 wird beim vierten Schritt des Verfahrens über den Konturdorn 34 abgestreift. Dabei wird die Wandstärke t0 auf die Wandstärke t1 verringert, aber das jeweilige Außen- und Innenmaß ist exakt hergestellt. Die Matrize 18 und der Konturdorn 34 sind jeweilige Werkzeuge, welche so aufeinander abgestimmt werden können, dass sich gewünschte Maße des Führungselements 10, insbesondere des Steckbereichs 16, ergeben. Durch das Abziehen oder Abstreifen der Matrize 18 über den Konturdorn 34 wird eine Materialverdrängung bewirkt, wobei überschüssiges Material in Form einer Bauteilstreckung kompensiert wird. Vorhaltewerte für das Ausgangsbauteil müssen je nach Geometrie abgestimmt und in der Konstruktion berücksichtigt werden. Mit anderen Worten führt die Wanddickenreduzierung zu einer Längenvergrößerung des Steckbereichs 16.
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Die Herstellung beziehungsweise der Aufbau des Führungselements 10 ermöglicht die Realisierung eines verbesserten Gesamtwirkungsgrades des Abgasstrangs beziehungsweise trägt direkt zu einem verbesserten Anspringverhalten des eventuell nachgeschalteten Abgasturboladers bei. Des Weiteren wird der Wärmeeintrag in den Motorraum gegenüber herkömmlichen Abgaskrümmern verringert, da Leckageströme durch die Steckspalte verringert werden können. Dadurch kann das Außenteil des luftspaltisolierten Abgaskrümmers, welches eine tragende Außenstruktur darstellt und beispielsweise als Blechschale ausgebildet ist, besonders kostengünstig hergestellt werden.
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Der Steckbereich 16 ist im fertig hergestellten Zustand des Führungselements 10 ein präzise mit nur geringen Toleranzen mittels des Verfahrens verformter Bereich mit einer sehr genauen Wandstärke t1 und sehr genauem Innen- und Außenmaß. Dadurch kann mittels des Steckbereichs 16 ein Schiebesitz gebildet werden, dessen Spalt besonders gering gehalten werden kann.
