DE102018102101A1 - Leitungselement mit Dämpfungselement - Google Patents

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Oliver Selter
Dietmar Baumhoff
Karl-Heinz Münker
Andreas Gerhard
Michael Henkelmann
David Christopher Siebels
Sascha Jan Sckudlarek
Matthias Weiss
Karsten Schenk
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leitungselement (100) mit einem Innenelement (IE), einem das Innenelement umgebenden Außenelement (AE), und einem zwischen Innenelement (IE) und Außenelement (AE) angeordneten Dämpfungselement (DE), beispielsweise aus Drahtgestricke oder einem Wickelschlauch. Das Dämpfungselement (DE) kann insbesondere aus einem leichter verschleißenden Material als das Außenelement (AE) und/oder das Innenelement (IE) bestehen, beispielsweise aus Kupfer.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leitungselement mit einem Innenelement, einem Außenelement, und einem dazwischen angeordneten Dämpfungselement. Derartige Leitungselemente werden vorzugsweise in Abgasleitungen in Kraftfahrzeugen verbaut und verbinden einzelne, starre Leitungseinheiten flexibel miteinander.
  • Im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen entstehen stets Schwingungen, die beispielsweise verursacht werden durch Unwuchten von Rotationselementen im Motor, Turbo oder in Nebenaggregaten, durch die pulsförmigen Druckverläufe des Verbrennungsmotors, oder durch die Fahrbewegungen in Verbindung mit Fahrbahn-Unebenheiten und deren Rückkopplung in das Fahrgestell.
  • Diesbezüglich haben Leitungselemente oder „Entkopplungselemente“ die Aufgabe, derartige Schwingungen und Bewegungen im Abgassystem von Kraftfahrzeugen zu entkoppeln. Zudem gleichen sie mögliche Einbautoleranzen aus.
  • Aufgrund immer kleiner werdender Baugrößen muss die Flexibilität von Leitungselementen erhöht werden, was die Neigung zur Schwingung mit Eigenfrequenzen erhöht, wodurch sich die Lebendsauer mindert. Eine gute Dämpfung der Leitungselemente ist daher wichtig.
  • Aus der DE 20 2015 104 177 U1 sind verschiedene Ausführungsform von Leitungselementen bekannt, welche aus einem Innenschlauch und einem Außenschlauch bestehen, wobei in der Regel mindestens einer der Schläuche gasdicht ist. Weiterer Stand der Technik findet sich in der DE 10 2008 001 297 A1 , DE 10 2011 053 131 A1 , DE 10 2010 037 162 A1 , DE 10 2015 102 258 , WO 2017/016728 A1 und DE 10 2012 013946 A1 . Alle genannten Dokumente werden durch Bezugnahme vollständig in vorliegende Anmeldung aufgenommen.
  • Angesichts dessen war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen und robusten alternativen Aufbau eines Leitungselementes mit Dämpfungselement bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Leitungselemente nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Leitungselemente sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Ein erfindungsgemäßes Leitungselement enthält
    • - ein Innenelement;
    • - ein das Innenelement umgebendes Außenelement;
    • - ein zwischen Innenelement und Außenelement angeordnetes Dämpfungselement, beispielsweise aus Drahtgestricke oder aus einem Wickelschlauch.
  • Der Ausdruck „Gestricke“ bezeichnet in diesem Zusammenhang ganz allgemein eine regelmäßige oder unregelmäßige Anordnung von faden- oder faserförmigen Teilen, beispielsweise Metalldrähten. Durch seine Struktur mit vielen Zwischenräumen und Biegungen der Fäden/Fasern erreicht das Gestricke eine verhältnismäßig große Elastizität sowie durch die Relativbewegung und Reibung zwischen einzelnen Fäden/Fasern gute Dämpfungseigenschaften.
  • Das Innenelement und/oder das Außenelement stehen vorzugsweise punktuell, linienförmig, teilflächig oder vollflächig mit dem Dämpfungselement in Kontakt.
  • Beim Innenelement und/oder beim Außenelement handelt es sich vorzugsweise um einen Wickelschlauch, insbesondere um einen metallischen Wickelschlauch. Derartige Wickelschläuche sind in verschiedenen Ausführungsformen (einlagig, mehrlagig, agraffförmig, mit Innenschuppen und/oder Außenschuppen etc.) bekannt. Typische Ausführungsformen sind beispielsweise in der DE 20 2015 104 177 U1 beschrieben.
  • Des Weiteren kann das Innenelement oder insbesondere das Außenelement des Leitungselementes als ein Wellbalg, ein Wickelbalg, oder ein Membranbalg ausgebildet sein. Während Wellbälge typischerweise durch in Verbindung mit einer Stauchoperation erfolgenden Innenhochdruckumformung aus einem Rohr hergestellt werden, sind Wickelbälge und Membranbälge im Profilbereich verschweißte, rotations-symmetrische oder wendelgewellte Elemente, die entweder zur Rotationsachse senkrecht ausgeprägte Wellungen oder spiralförmige Wellungen aufweisen. Eine gewickelte Balgstruktur kann vorzugsweise formschlüssig eingehakt oder überlappend oder stoffschlüssig verschweißt sein. Derartige Elemente werden beispielsweise in der DE 10 2008 001 297 A1 oder der DE 10 2011 053 131 A1 beschrieben.
  • Grundsätzlich ist das Material des Dämpfungselementes so gewählt, dass der Verschleiß durch die Reibung zum Innenelement und/oder Außenelement minimiert wird. Insbesondere kann so ein Abtragen des Werkstoffs des Außenelementes/Innenelementes im Kontaktbereich verhindert oder zumindest verringert werden. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Werkstoffauswahl und/oder Werkstoffbehandlung der sich kontaktierenden Schichten von Dämpfungselement und Innenelement/Außenelement erreicht werden.
  • Das Dämpfungselement besteht vorzugsweise aus einem leichter verschleißenden Material als das Innenelement und/oder das Außenelement. Insbesondere kann die Oberfläche des Dämpfungselementes weicher sein als der Werkstoff des Außenelementes und/oder des Innenelementes (gemessen beispielsweise in den Verfahren HR oder HV nach Rockwell bzw. Vickers), so dass das Material des Dämpfungselementes und nicht das Außenelement oder das Innenelement durch den Reibkontakt abgetragen wird.
  • Wie bereits erwähnt kann das Dämpfungselement optional ein Drahtgestricke enthalten oder ganz hieraus bestehen.
  • Im vorstehenden Fall enthält das Dämpfungselement vorzugsweise (mindestens) einen Draht (Faden) mit einer Beschichtung.
  • Des Weiteren kann das Dämpfungselement einen flexiblen Wickelschlauch, einen Wellbalg, eine Membranbalgstruktur oder eine gewickelte Balgstruktur enthalten oder hieraus bestehen. Für diese Ausführungsformen gelten die oben in Bezug auf das Innenelement bzw. Außenelement gemachten Erläuterungen analog. Insbesondere kann das Dämpfungselement ein flexibler Wickelschlauch aus Kupfer sein.
  • Ferner kann optional eine Konditionierung der Oberfläche des Dämpfungselementes, des Innenelementes, und/oder des Außenelementes zur Anwendung kommen (vgl. WO 2017/016728 A1 ).
  • Das Dämpfungselement kann vorzugsweise mindestens einen der folgenden Werkstoffe enthalten oder hieraus bestehen: Kupfer, Kupferlegierungen, Bronze, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Edelstahl, Stahl, Zink, Zinkphosphat, Titan, Tantal, Nickelbasislegierungen, Graphit, Aramide (z.B. Kevlar®), Messing und/oder Molybdänsulfid.
  • Weiterhin kann das Außenelement und/oder das Innenelement mindestens einen der folgenden Werkstoffe enthalten oder hieraus bestehen: Edelstahl, Stahl, Zink, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Titan, Tantal, Nickelbasislegierungen, Messing, und/oder Bronze.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Innenelement und/oder das Außenelement zumindest in einem axialen Abschnitt des Leitungselementes einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann es einen mehreckigen Querschnitt haben, wobei die Ecken typischerweise abgerundet sind. Des Weiteren ist ein unrundes Innen-/Außenelement in der Regel mit einem runden Außen-/Innenelement kombiniert. Durch die Unrundheit kann auf einfache Weise ein Punkt-, Linien oder Flächenkontakt hergestellt werden. Das Dämpfungselement passt sich in der Regel der Form des zwischen Innenelement und Außenelement gebildeten Hohlraumes an.
  • Weitere Informationen zu Leitungselementen mit einer koaxialen Anordnung eines Innen- und eines Außenelementes finden sich in der DE 20 2015 104 177 U1 , welche durch Bezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Leitungselement mit einem Drahtgestricke als Dämpfungselement;
    • 2 verschiedene mögliche Bandgeometrien des Innenelementes, des Außenelementes, und des Dämpfungselementes;
    • 3 Querschnitte durch erfindungsgemäße Leitungselemente mit ovalem, dreieckigem, viereckigem, fünfeckigem und sechseckigem Innenelement,
    • 4 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Leitungselement mit einem Wickelschlauch als Dämpfungselement.
  • 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Entkopplungselement oder Leitungselement 100, das aus dem Wickelschlauch 120 als Innenelement (in den Figuren auch mit „IE“ bezeichnet), einem Außenelement 110 („AE“), und einem Dämpfungselement 130 („DE“) gebildet wird. Im dargestellten Beispiel ist das Außenelement AE ein ringgewellter Membranbalg 110.
  • Das Dämpfungselement 130 kann sich axial über die gesamte Länge oder nur über einen Teil des Leitungselementes 100 erstrecken.
  • Das Dämpfungselement 130 wird beispielsweise durch ein Gestricke aus Kupferdraht gebildet. Dieses Kupfergestricke wird beim Zusammenbau des Leitungselementes 100 über das Innenelement 120 gezogen und dann in der Hülle des Außenelementes 110 montiert.
  • Die Vorteile des dargestellten Entkopplungselementes 100 liegen einer geringeren Fertigungskomplexität, dem Einsatz von Standardbauteilen, und guten Dämpfungseigenschaften. Weiterhin ist durch die Drahtdicke des Dämpfungselementes 130 dessen Lebensdauer quasi „einstellbar“.
  • Das Gestricke kann vorzugsweise einfädig, zweifädig, dreifädig, vierfädig oder mehrfädig sein. Der Draht des Gestrickes weist typischerweise einen Durchmesser von ca. 0.1 bis 0.5 mm, vorzugsweise von ca. 0.5 mm bis 1.0 mm, oder von ca. 1.0 mm bis 2.6 mm auf.
  • Das Gestrickematerial des Dämpfungselementes 130 enthält oder besteht vorzugsweise aus Kupfer, Kupferlegierungen, Bronze, Alu und anderen Nichteisenmetallen. Dabei können auch unterschiedliche Werkstoffe verstrickt sein, wenn mehr als eine 2-Fädigkeit vorliegt.
  • Ferner kann der Draht des Dämpfungselementes 130 Beschichtungen aufweisen, welche reibungsoptimierte, festigkeitssteigernde oder ähnliche Funktionen aufweisen.
  • 2 illustriert (nicht abschließend) verschiedene mögliche Bandgeometrien des Innenelementes IE (dargestellt am Längsschnitt durch eine, zwei oder drei Bandwindungen). Gezeigt sind ein Agraffschlauch 120a, ein Agraffschlauch 120b mit Außenschuppen, ein Doppelschuppen-Agraffschlauch 120c mit Innenschuppen und Außenschuppen, sowie weitere überlappende und/oder verhakte Geometrien 120d-120k. Das Material des Innenelementes IE ist vorzugsweise Edelstahl. Die Dicke des Wickelbandes beträgt typischerweise ca. 0.07 mm bis 0.26 mm, vorzugsweise ca. 0.26 mm bis 0.5 mm.
  • In bevorzugten Ausführungsformen hat das Innenelement IE oder das Außenelement AE einen unrunden Querschnitt (während das jeweils andere Element des Leitungselementes einen runden Querschnitt hat). Besonders bevorzugt ist es, wenn das Innenelement IE einen unrunden und das Außenelement AE einen runden Querschnitt hat.
  • In 3 sind diesbezüglich in fünf Frontansichten von Varianten eines Leitungselementes mit einem unrunden Innenelement 120 und einem kreisrunden Außenelement 110 dargestellt. Das zugehörige Dämpfungselement 130 ist ebenfalls mit einem kreisrunden Querschnitt dargestellt; es wird jedoch im Allgemeinen eine Form annehmen, die mehr oder weniger dem verfügbaren Zwischenraum angepasst ist.
  • Dargestellt ist ein Innenelement mit einem ovalen, einem dreieckigen, einem viereckigen, einem fünfeckigen, und einem sechseckigen Querschnitt, wobei jedoch auch beliebige andere unrunde Geometrien möglich sind.
  • In 4 ist für eine weitere Ausführungsform eines Leitungselementes 200 ein Längsschnitt durch einen axialen Abschnitt der Wand dargestellt. Das Leitungselement 200 enthält die folgenden Komponenten:
    • - Ein Innenelement 220 bzw. IE, das beispielsweise aus einem Agraffschlauch 120b gemäß 2 gebildet wird.
    • - Ein Dämpfungselement 230 bzw. DE, welches beispielsweise aus einem verhakten Wickelschlauch 120e gemäß 2 gebildet wird. Vorzugsweise besteht dieses Dämpfungselement 230 aus einem weicheren Material als das angrenzende Innenelement 220 bzw. Außenelement 210, beispielsweise aus Kupfer.
    • - Ein Außenelement 210 bzw. AE, welches hier aus einem gewickelten Membranbalg besteht.
  • Das Dämpfungselement 230 ist koaxial zwischen dem innen liegenden Innenelement 220 und dem außen liegenden Außenelement 210 angeordnet. Durch den Kontakt zu Innenelement 220 und Außenelement 210 wirkt der Wickelschlauch 230 dämpfend, und durch eine geeignete Wahl seines Materials verhindert er einen Verschleiß von Innenelement 220 und Außenelement 210.
  • Die in 2 dargestellten Geometrien lassen sich selbstverständlich auch mit einem Wickelschlauch als Dämpfungselement realisieren, wobei dieser dann einen runden Querschnitt oder auch einen unrunden Querschnitt haben kann. Ein unrunder Querschnitt hat vorzugsweise dieselbe Geometrie (oval, dreieckig, viereckig, fünfeckig etc.) wie das unrunde Innenelement (bzw. das Außenelement, falls dieses unrund ist). Des Weiteren kann auch ein unrundes Dämpfungselement DE mit einem runden Außenelement und einem runden Innenelement kombiniert werden.
  • Bei allen in den Figuren dargestellten Leitungselementen kann das Außenelement AE optional durch einen Wickelbalg, Wellbalg oder einen im oberen Profilbereich verschweißten, rotationssymmetrischen oder wendelgewellten Membranbalg gebildet werden. Beispiele für solche Außenelement AE finden sich in der DE 10 2008 001 297 A1 , DE 10 2011 053 131 A1 , und DE 10 2013 104 446 A1 .
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (10)

  1. Leitungselement (100, 200) mit - einem Innenelement (IE); - einem das Innenelement umgebenden Außenelement (AE), - einem zwischen Innenelement (IE) und Außenelement (AE) angeordneten Dämpfungselement (DE).
  2. Leitungselement (100, 200) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenelement (IE) aus einem flexiblen Wickelschlauch (120, 120a-120k, 220) besteht.
  3. Leitungselement (100, 200) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenelement (AE) aus einem Wellbalg (110), einer Membranbalgstruktur oder einer gewickelten Balgstruktur (210) besteht.
  4. Leitungselement (100, 200) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (DE) aus einem leichter verschleißenden Material als das Innenelement (IE) und/oder das Außenelement (AE) besteht.
  5. Leitungselement (100, 200) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (DE) mindestens einen der folgenden Werkstoffe enthält oder hieraus besteht: Kupfer, Kupferlegierungen, Bronze, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Edelstahl, Stahl, Zink, Zinkphosphat, Titan, Tantal, Keramik, Nickel, Nickelbasislegierungen, Graphit, Aramide, Messing und/oder Molybdänsulfid.
  6. Leitungselement (100) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (130, DE) ein Drahtgestricke enthält oder hieraus besteht.
  7. Leitungselement (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (130, DE) einen Draht mit einer Beschichtung enthält.
  8. Leitungselement (200) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (230, DE) einen flexiblen Wickelschlauch (120a-120k, 230), einen Wellbalg, eine Membranbalgstruktur oder eine gewickelte Balgstruktur enthält oder hieraus besteht.
  9. Leitungselement (100, 200) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (DE), das Innenelement (IE), und/oder das Außenelement (AE) zumindest lokal an einer Oberfläche konditioniert ist, insbesondere mittels eines thermischen oder thermochemischen Diffusionsverfahrens oder Oberflächenbeschichtungsverfahrens.
  10. Leitungselement (100, 200) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (DE), das Innenelement (IE) und/oder das Außenelement (AE) zumindest in einem axialen Abschnitt des Leitungselementes einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweist, vorzugsweise einen mehreckigen Querschnitt.
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