DE10259695A1 - Method of manufacturing vibrationally stressed pipe element entails preprofiling metal strip with risers offset from plane and deflections with member heights of bellows equalling multiple of strip thickness - Google Patents

Method of manufacturing vibrationally stressed pipe element entails preprofiling metal strip with risers offset from plane and deflections with member heights of bellows equalling multiple of strip thickness Download PDF

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    • F16L11/16—Hoses, i.e. flexible pipes made of rigid material, e.g. metal or hard plastics wound from profiled strips or bands

Abstract

The method for the manufacturing of a pipe element (1) subjected to vibrational stresses, and especially motor vehicles' exhaust pipes, from a preprofiled metal strip (2) which is wound in convolutions with bellows-shaped windings (4) entails preprofiling the strip with at least one riser offset from the plane and a deflection in the fashion of a circular track with member heights (h1,h2) of the bellows equalling a multiple of the strip thickness. The members (5a,5b) of the bellows are preprofiled, for example, with a height corresponding to 25 to 75 times the band thickness. An Independent claim is included for a pipe element which is subjected to vibrational stresses and is especially an exhaust pipe of a motor vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitungselement für schwingbeanspruchte Rohrleitungen, für die Abgasleitungen in Kraftfahrzeugen typische Ausführungsbeispiele sind.The invention relates to a line element for vibrating stresses Pipelines, for the exhaust pipes in motor vehicles typical embodiments are.

Die Aufgabe solcher Leitungselemente besteht darin, schwingbeanspruchte Rohrleitungen flexibel miteinander zu verbinden und dabei schwingungstechnisch weitgehend zu entkoppeln. Ein Modul solcher Leitungselemente ist in vielen Fällen ein Metallbalg. Da die großen Durchmesserunterschiede in den Wellungen des Metallbalgs Turbulenzen erzeugen können, wird in der Regel ein Metallschlauch in das Leitungselement integriert, um die laminare Abgasströmung sicherzustellen. Hierbei ist darauf zu achten, daß während des Betriebs keine Geräuschentwicklung durch das Anschlagen des Metallschlauchs an der Innenseite des Balgs entsteht. Dies wird in vielen Fällen durch ein den Schlauch umgebendes Drahtgestricke bewirkt. DE 198 20 863 A1 zeigt beispielhaft ein flexibles Leitungselement, bei dem, alternativ zu einem Drahtgestricke, Metallschlauch und Metallbalg an definierten Orten in Anlage zueinander gebracht werden, um die oben beschriebene Geräuschentwicklung zu vermeiden.The task of such line elements is to flexibly connect pipes subject to vibration and to largely decouple them in terms of vibration technology. In many cases, a module of such line elements is a metal bellows. Since the large diameter differences in the corrugations of the metal bellows can create turbulence, a metal hose is usually integrated into the line element to ensure the laminar exhaust gas flow. Make sure that there is no noise during operation due to the metal hose striking the inside of the bellows. In many cases this is caused by a wire mesh surrounding the tube. DE 198 20 863 A1 shows an example of a flexible conduit element, in which, alternatively to a wire mesh, metal hose and metal bellows are brought into contact with one another at defined locations in order to avoid the noise development described above.

Da neben der Herstellung von Einzelmodulen der beschriebenen Leitungselemente ferner der Montageprozeß aufwendig ist, sehen ökonomischere Lösungsansätze eine komplette Herstellung von Metallbalg und innenliegendem Schlauch in nur einer Operation, durch schraubengangförmiges Wickeln vor. Ein nach diesem Prinzip gefertigter, sogenannter Abgaswellschlauch wird beispielhaft in DE 38 09 210 C1 dargestellt. Das hier beschriebene schraubengangförmige Wickeln eines vorprofilierten Metallbands hat jedoch zwei Nachteile. Zum einen wird keine vollständige Gasdichtheit des Leitungselements erreicht. Zum anderen ist die geometrische Gestaltung der balgartigen Wellungen bei der Fertigung von Balg und Schlauch aus nur einem vorprofilierten Metallband starken Einschränkungen unterworfen, so das die für die Erreichung der geforderten statischen und dynamischen Steifigkeiten notwendigen Eigenschaften in vielen Fällen nicht erzielt werden können. Kern dieses Problems sind die stark unterschiedlichen axialen und radialen Ausdehnungen der Schlauch- und Balgelemente zueinander, da beim Wickeln der unterschiedlichen Abmessungen aus nur einem vorprofilierten Metallband die umformtechnische Grenze der Faltenbildung die erzielbaren Geometrieverhältnisse stark einschränkt.Since, in addition to the production of individual modules of the line elements described, the assembly process is also complex, more economical solutions provide for a complete production of metal bellows and inner tube in only one operation, by helical winding. A so-called flue gas hose manufactured according to this principle is exemplified in DE 38 09 210 C1 shown. However, the helical winding of a pre-profiled metal strip described here has two disadvantages. On the one hand, the pipe element is not completely gas-tight. On the other hand, the geometrical design of the bellows-like corrugations in the manufacture of bellows and hose from only one pre-profiled metal strip is subject to severe restrictions, so that in many cases the properties necessary to achieve the required static and dynamic stiffness cannot be achieved. At the heart of this problem are the very different axial and radial expansions of the hose and bellows elements to one another, since when the different dimensions are wound from only one pre-profiled metal band, the forming limit of the formation of folds severely limits the geometrical relationships that can be achieved.

Ein Ausführungsbeispiel für geeignete Geometrieverhältnisse ist in erster Näherung der bereits genannten Schrift DE 198 20 863 A 1 zu entnehmen. Die Herstellung einer solchen, kombinierten Balg- und Schlauchgeometrie ist jedoch mit dem in DE 38 09 210 C1 beschriebenen Verfahren nicht darstellbar.An embodiment of suitable geometrical relationships is a first approximation of the document already mentioned DE 198 20 863 A 1 can be seen. The production of such a combined bellows and hose geometry is, however, with that in DE 38 09 210 C1 described methods not representable.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein entkoppelndes Leitungselement für Rohrleitungen so auszubilden, daß eine komplette Herstellung von Metallbalg und innenliegendem Schlauch in nur einer Operation, durch schraubengangförmiges Wickeln möglich ist. Dabei ist sicherzustellen, daß die zur Erzielung der gewünschten statischen und dynamischen Steifigkeiten erforderliche Geometrie der balgartigen Windungen am Außenumfang im Wickelprozeß umformtechnisch darstellbar ist. Dazu sind balgartige Geometrien herzustellen, die ein Verhältnis von axialer Breite zu radialer Profilhöhe von kleiner Eins aufweisen.The object of the invention is therefore to design a decoupling pipe element for pipes that a Complete production of metal bellows and inner hose in one operation, thanks to helical winding. It must be ensured that the to achieve the desired static and dynamic stiffness required geometry the bellows-like turns on the outer circumference in the winding process can be represented. For this purpose, bellows-like geometries have to be produced a ratio of have axial width to radial profile height of less than one.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein aus zwei unterschiedlichen Metallbändern gewickeltes Leitungselement gelöst (1). Mit einem der beiden Metallbänder wird hierzu eine Schlauchgeometrie erzeugt (12), das zweite wird für die balgartige Windung (11) verwendet. Die beiden Metallbänder können unterschiedliche Dicken, Breiten, mechanische Eigenschaften und chemische Zusammensetzungen aufweisen, so daß den unterschiedlichen Forderungen an die Geometrie von Schlauch und Balg Rechnung getragen werden kann. Sie werden ineinander gewickelt und derart zusammengefügt, daß eine im idealen Fall gasdichte Verbindung der Fügestelle erzielt wird. Diese Verbindung kann sowohl durch umformtechnische Fügeverfahren wie beispielsweise falzen, bördeln (1,5) oder vorzugsweise durch das Bördeln einer agraffartigen Verbindung (2) erzielt werden. Ferner kann die gasdichte Verbindung auch durch thermische Fügeverfahren wie Strahl- bzw.According to the invention, this object is achieved by a line element wound from two different metal strips ( 1 ). For this purpose, a hose geometry is created with one of the two metal bands ( 12 ), the second is for the bellows-like turn ( 11 ) used. The two metal strips can have different thicknesses, widths, mechanical properties and chemical compositions, so that the different demands on the geometry of the hose and bellows can be taken into account. They are wound into each other and put together in such a way that an ideal gas-tight connection of the joint is achieved. This connection can be flanged using forming techniques such as folding, 1 . 5 ) or preferably by crimping an agraff-like connection ( 2 ) be achieved. Furthermore, the gas-tight connection can also be achieved by thermal joining methods such as blasting or

Laserstrahlschweißen oder aber vorzugsweise Rollschweißen (3,4) erzeugt werden.Laser beam welding or preferably roll welding ( 3 . 4 ) be generated.

Die oben beschriebenen Leitungselemente sollen in nur einer Operation, durch schraubengangförmiges Wickeln, hergestellt werden. Das dazu erforderliche Verfahren besteht aus zwei Walzprofilierverfahren, einer dem umformtechnischen Verfahren Drücken ähnlichen Wickeloperation sowie ferner aus einem Fügeverfahren. Das so entstehende Leitungselement weist vorzugsweise eine große Länge auf, die im Anschluß mit mechanischer oder vorzugsweise thermischer Trenntechnik auf die Länge der Endprodukte konfektioniert wird.The line elements described above are intended produced in one operation, by helical winding become. The process required for this consists of two roll forming processes, a winding operation similar to the pressing technique, as well as also from a joining process. The resulting line element preferably has a long length that afterwards with mechanical or preferably thermal separation technology on the Length of End products is made up.

Die beiden Walzprofilierverfahren werden zur Vorprofilierung der beiden Metallbänder, jeweils für das Schlauch- bzw. für das Balgelement eingesetzt. Beide Walzprofilierverfahren können konventionell in jeweils einer Ebene vollzogen werden. Eine gegebenenfalls vorzuziehende Alternative ist die Anordnung der einzelnen Walzenpaare auf einer spiralförmigen Bahn, deren Krümmung sich in finiten oder infiniten Schritten solange steigert, bis die Krümmung des Leitungselements näherungsweise erreicht wird. Dieser spiralförmige Einlauf in die geforderte Endgeometrie ist umformtechnisch günstig, weil er die Versagensgrenze der Faltenbildung erweitert, so daß eine größere Formenvielfalt erreicht wird. Ferner können die beiden Walzprofilierverfahren entweder parallel zueinander und mit einem anschließenden kontinuierlichen Wickelprozeß oder aber sequentiell mit einem anschließenden diskontinuierlichen Wickelprozeß durchgeführt werden.The two roll forming processes are used for pre-profiling the two metal strips, each for the hose and the bellows element. Both roll forming processes can be carried out conventionally on one level. An alternative which may be preferable is to arrange the individual pairs of rollers on a spiral path, the curvature of which increases in finite or infinite steps until the curvature of the line element is approximately reached. This spiral inlet into the required final geometry is technically favorable because it extends the failure limit of the formation of folds, so that a greater variety of shapes is achieved. Furthermore, the two roll forming processes either parallel to each other and with a subsequent con continuous winding process or sequentially with a subsequent discontinuous winding process.

Die beiden vorprofilierten Bänder werden anschließend mit formgebenden Drückwerkzeugen auf einen Dorn gewickelt und im idealen Fall gasdicht gefügt. Die Wickeloperation kann vorzugsweise kontinuierlich erfolgen, indem das gefertigte Leitungselement nach dem Wickeln und Fügen von einem rotierenden Dorn abläuft. Eine alternative Konfiguration sieht einen langen Wickeldorn vor, der zunächst komplett mit dem herzustellenden Leitungselement bewickelt wird. Auf diese Weise entsteht ein diskontinuierliches Herstellungsverfahren, da die fertige Länge des Leitungselements periodisch von dem langen Wickeldorn abgezogen werden muß.The two pre-profiled tapes will be subsequently with shaping pressing tools wound on a mandrel and ideally joined gas-tight. The Wrap operation can preferably be done continuously by the manufactured pipe element after winding and joining a rotating mandrel. An alternative configuration provides a long mandrel, the first is completely wound with the line element to be manufactured. This creates a discontinuous manufacturing process since the finished length of the Line element periodically withdrawn from the long mandrel must become.

Die Fügeoperation kann entweder durch ein thermisches Verfahren oder durch umformtechnisches Fügen erfolgen. Das thermische Fügen soll vorzugsweise nach der Wickeloperation erfolgen. Das umformechnische Fügen kann sowohl vor, während als auch nach der Wickeloperation vollzogen werden.The joining operation can either be done by a thermal process or by forming. Thermal joining should preferably be done after the wrap operation. The forming technology Can add both before, during as well as after the wrap operation.

Die nach einer der oben beschriebenen Varianten gefertigte Länge des Leitungselements wird im Anschluß mit mechanischer oder vorzugsweise thermischer Trenntechnik auf die Länge des gewünschten Endprodukts konfektioniert. Hierbei kann zur Vereinfachung der Trenn- oder Weiterbearbeitung eine lokale Homogenisierung der Produktdurchmesser durch drucktechnisches Behandeln der Trennstelle erfolgen.The one according to one of the above Variants of manufactured length the line element is then connected with mechanical or preferably thermal separation technology tailored to the length of the desired end product. This can simplify the separation or further processing a local homogenization of the product diameter by printing technology Treat the separation point.

Neben der Bearbeitung einlagiger Metallbänder kann das Verfahren gleichermaßen auf mehrlagige Metallbänder angewendet werden, so daß beispielsweise aus mehreren Blechlagen bestehende balgartige Windungen erzeugt werden können.In addition to single-layer processing metal bands can do the procedure equally on multi-layer metal strips be applied so that, for example bellows-like windings created from several sheet layers can be.

Claims (8)

Leitungselement für schwingbeanspruchte Rohrleitungen, insbesondere für Abgasleitungen in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mindestens zwei geometrisch unterschiedlichen Metallbändern besteht, die schraubengangförmig ineinander gewickelt und auf umformtechnische oder thermische Art so gefügt werden, daß eine vorzugsweise agraffartig ineinandergreifende, Idealerweise gasdichte Verbindung entsteht, die insgesamt ein Leitungselement mit balgartigen, flexiblen Windungen – letztere mit einem Verhältnis von axialer Breite zu radialer Profilhöhe von kleiner Eins – am Außenumfang sowie mit schlauchartigen Windungen am Innenumfang – welche die laminare Durchströmung sicherstellen – besteht und komplett in einem Prozeßschritt, ohne weitere Zusammenbauoperationen gefertigt wird.Pipe element for vibrating pipelines, in particular for exhaust pipes in motor vehicles, characterized in that it consists of at least two geometrically different metal strips, which are wound into one another in a helical fashion and are joined in a forming or thermal manner in such a way that a preferably agraffically interlocking, ideally gas-tight connection is formed Overall, there is a pipe element with bellows-like, flexible windings - the latter with a ratio of axial width to radial profile height of less than one - on the outer circumference and with hose-like windings on the inner circumference - which ensure the laminar flow - and is manufactured completely in one process step, without further assembly operations , Verfahren zur Herstellung eines Leitungselements nach Anspruch 1, bestehend aus zwei anfangs parallel durchzuführenden, kontinuierlichen Walzprofilierverfahren, die sowohl eben als auch vorzugsweise spiralförmig angeordnet sein können, einer dem umformtechnischen Verfahren Drücken ähnlichen Wickeloperation sowie ferner aus einem vorzugsweise umformtechnischen oder aber einem thermischen Fügeverfahren, mit dem die beiden walzprofilierten und gewickelten Bandprofile miteinander verbunden werden, so daß ein im Idealfall gasdichtes Leitungselement entsteht.Method for producing a line element according to claim 1, consisting of two initially to be performed in parallel, continuous roll forming process, both flat and preferably spiral can be arranged a winding operation similar to the pressing technique, as well as furthermore from a preferably forming technology or else one thermal joining process, with which the two roll-profiled and wound strip profiles be connected to each other so that an ideally gas-tight Line element is created. Verfahren zur Herstellung eines Leitungselements nach Anspruch 1, bestehend aus zwei sequentiell und diskontinuierlich durchzuführenden Walzprofilierverfahren, die sowohl eben als auch vorzugsweise spiralförmig angeordnet sein können, einer dem umformtechnischen Verfahren Drücken ähnlichen Wickeloperation sowie ferner aus einem vorzugsweise umformtechnischen oder aber einem thermischen Fügeverfahren, mit dem die beiden walzprofilierten und gewickelten Bandprofile miteinander verbunden werden, so daß ein im Idealfall gasdichtes Leitungselement entsteht.Method for producing a line element according to claim 1, consisting of two sequentially and discontinuously roll forming processes to be carried out, which can be both flat and preferably arranged spirally, one the forming process pressing similar winding operation as well furthermore from a preferably forming technology or else one thermal joining process, with which the two roll-profiled and wound strip profiles are interconnected so that an ideally gas-tight line element arises. Leitungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mehr als zwei geometrisch unterschiedlichen Metallbändern besteht, die schraubengangförmig ineinander gewickelt werden oder aber bereits als mehrlagiges, ebenes Metallband dem Herstellprozeß zugeführt werden.Pipe element according to claim 1, characterized in that it consists of more than two geometrically different metal strips, the helical be wrapped in each other or already as a multilayer, flat Metal strip are fed to the manufacturing process. Leitungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben Metallbändern mit unterschiedlichen Breiten, Dicken, mechanischen Eigenschaften und chemischen Zusammensetzungen auch elastomere, glasfaserverstärkte bzw. keramische Bänder oder aber Bänder aus Verbund-, Compound- bzw. Composite-Werkstoffen zum Einsatz kommen können.Pipe element according to claim 1, characterized in that alongside metal strips with different widths, thicknesses, mechanical properties and chemical compositions also elastomeric, glass fiber reinforced or ceramic tapes or tapes made of composite, compound or composite materials can. Leitungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vereinfachung der Trenn- oder Weiterbearbeitung eine lokale Homogenisierung der Produktdurchmesser durch umformtechnisches, vorzugsweise drucktechnisches Behandeln der Anschlußenden erfolgt.Pipe element according to claim 1, characterized in that for Simplification of the separation or further processing a local homogenization the product diameter by forming technology, preferably printing technology Treat the connection ends he follows. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Umform-, Füge- oder Trennprozeß unterstützende Medien, wie vorzugsweise eine Ultraschallüberlagerung, eingesetzt werden.A method according to claim 2 or 3, characterized in that for the forming, Media supporting or separating process, such as preferably an ultrasound superposition. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das entstandene Leitungselement durch die abschließende Wirkung von Innendruck oder durch einen abschließenden mechanisch umformenden Prozeßschritt auf die geforderten statischen und dynamischen Steifigkeiten hin konditioniert wird. (1)Method according to claim 2 or 3, characterized in that the resulting line element is conditioned by the final effect of internal pressure or by a final mechanical forming process step to the required static and dynamic stiffness is renated. ( 1 )
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