DE112005003508B4 - Wickelschlauch aus Metall für Abgasanlagen und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Wickelschlauch aus Metall für Abgasanlagen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, wobei der Wickelschlauch aus mindestens einem profilierten, schraubengangförmig gewickelten Metallband gefertigt ist und
die Profilierung des Metallbandes derart ausgeführt ist, dass Bandkanten benachbarter Bandwindungen beweglich ineinander greifen,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Metallband zumindest an Kontaktflächen im axial mittleren Bereich des Wickelschlauchs, an denen benachbarte Bandwindungen aneinander anliegen, zumindest einseitig eine gezielte Oberflächenveränderung aufweist, und
dass die gezielte Oberflächenveränderung eine durch eine Wärmebehandlung des Metallbandes vor dem Einbau des Wickelschlauchs in die Abgasanlage unter einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bewirkte gezielte Oberflächenveränderung ist, wobei die Temperatur, bei der die Wärmebehandlung des Metallbandes durchgeführt wird, derart gewählt ist, dass sich der Reibungskoeffizient durch nachgelagerte Temperatureinwirkung nur noch maximal um einen solchen Betrag ändert, dass der Wickelschlauch im Betrieb eine Wärmeversteifung von maximal 100% aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wickelschlauch aus Metall für Abgasanlagen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, wobei der Wickelschlauch aus mindestens einem profilierten, schraubengangförmig gewickelten Metallband gefertigt ist und die Profilierung des Metallbandes derart ausgeführt ist, dass Bandkanten benachbarter Bandwindungen beweglich ineinander greifen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des genannten Wickelschlauches.
  • Derartige Wickelschläuche werden üblicherweise in Abgasleitungen an den Positionen eingesetzt, wo bewegliche Leitungselemente erforderlich sind, welche neben der Beweglichkeit auch ein hohes Maß an Dichtigkeit und eine geringe Schallabstrahlung aufweisen müssen. Dies ist insbesondere bei Kraftfahrzeugen der Fall, wo durch den Motor Bewegungen, Schwingungen und Vibrationen in die Abgasanlage eingebracht werden. Die Wickelschläuche können dabei alleine oder auch als Teil eines komplexen Entkoppelelementes verwendet werden. Ein Entkoppelelement kann als weitere Komponenten einen Balg, ein Geflecht oder ein Gestricke oder eine Kombination dieser Elemente umfassen. Wesentlich ist, dass der Wickelschlauch oder das einen Wickelschlauch enthaltende Entkoppelelement in der Abgasanlage derart angeordnet ist, dass der Erzeuger von Bewegungen, Schwingungen und Vibrationen (wie beispielsweise der Motor) von der restlichen Abgasanlage entkoppelt wird.
  • Im Folgenden wird mit dem Begriff Entkoppelelement sowohl ein Wickelschlauch, als auch ein Entkoppelelement, welches neben dem Wickelschlauch weitere Elemente wie beispielsweise einen Metallbalg oder ein Metallgeflecht oder -gestricke aufweist, bezeichnet.
  • Wickelschläuche werden aus einem Metallband gefertigt, welches derart profiliert und schraubengangförmig gewickelt wird, dass die Bandkanten benachbarter Bandwindungen ineinander greifen. An diese ineinander greifende Verbindung der Bandkanten werden mehrere, an sich widersprüchliche Anforderungen gestellt: Für eine hohe Dichtigkeit bzw. Dämpfungswirkung ist ein festes Wickeln zweckmäßig, d. h. dass die Bandkanten benachbarter Bandwindungen mit hohem Druck aneinander anliegen. Für die Beweglichkeit des Wickelschlauches müssen sich die aneinander anliegenden Bandkanten jedoch ausreichend leichtgängig gegeneinander verschieben lassen. Darüber hinaus ist bei herkömmlichen Wickelschläuchen eine Wärmeversteifung zu beobachten, welche sich darin äußert, dass die Reibung zwischen benachbarten Bandwindungen beim Gebrauch durch Temperatureinwirkung zunimmt, sodass die Beweglichkeit des Wickelschlauches reduziert wird.
  • Bei der Auslegung eines Wickelschlauches muss folglich immer eine nachfolgende Veränderung der Beweglichkeit durch Temperatureinwirkung berücksichtigt werden. Deswegen werden Bauteile häufig mit geringerer Reibung zwischen benachbarten Bandwindungen gefertigt, als dies zur optimalen Dämpfungswirkung nötig wäre. Häufig gelingt es nicht, die Reibung so auszulegen, dass bei dem unterschiedlichen Fahrverhalten aller Endverbraucher und den damit verbundenen unterschiedlichen Temperatureinwirkungen eine akzeptable Dämpfung der Schwingungen gewährleistet ist. Als Folge davon kommt es vermehrt zu Reklamationen.
  • Zur Erfüllung dieser Anforderung wurden unterschiedliche Lösungen vorgeschlagen:
    In der EP 0 527 413 der Anmelderin wird ein Wickelschlauch aus Metall beschrieben, bei dem in den ineinander greifenden Profilwindungen bandförmige Einlagen aus einem dauerelastischen Material unter Vorspannung angeordnet sind. Diese als Abstandselement fungierende bandförmige Einlage besteht bei spielsweise aus Chromnickelstahl und soll zum einen Dichtungsfunktionen erfüllen und zum anderen die Reibung benachbarter Bandwindungen reduzieren.
  • Durch die zusätzlich bandförmige Einlage kompliziert sich jedoch die Herstellung. Darüber hinaus vergrößert sich die Schlauchnennweite des Wickelschlauches, was zu Einbauproblemen führen kann, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit den dort üblicherweise bestehenden beengten Einbauverhältnissen. Auch weisen die mit einer zusätzlichen bandförmigen Einlage versehenen Wickelschläuche typischerweise eine reduzierte Lebensdauer auf, da die Einlage bei längerer Wechselbeanspruchung verrutschen kann, wodurch Undichtigkeiten und eine Beeinträchtigung der Beweglichkeit hervorgerufen werden können. Darüber hinaus lässt sich durch die Einlage eine Veränderung der Beweglichkeit des Wickelschlauches durch Temperatureinwirkung nicht verhindern.
  • In der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden DE 297 07 779 wird ein Wickelschlauch aus Metall für Abgasanlagen beschrieben, bei dem das Metallband an den Kontaktflächen, an denen benachbarte Bandbindungen aneinander anliegen zumindest einseitig mit einer Beschichtung versehen sind. Diese Beschichtung wird mittels eines Beschichtungsverfahrens, wie beispielsweise Aufspritzen, Galvanisieren oder Pulverbeschichten aufgebracht.
  • Das Beschichten des Metallbandes muss vor dem Profilieren und schraubengangförmigen Wickeln geschehen, da die Kontaktflächen dem genannten Beschichtungsverfahren sonst nicht mehr zugänglich sind. Dieser vorgelagerte Prozessschritt erhöht die Komplexität des Herstellungsverfahrens und auch die Herstellungskosten. Außerdem sind solche Beschichtungen in der Regel nicht thermisch stabil und auch nicht verschleißfest, sodass die Lebensdauer eines mit einer solchen Beschichtung versehenen Bauteils reduziert ist.
  • Weiterhin ist bekannt, Entkoppelelemente unter einer reduzierenden Atmosphäre zu erwärmen, um eine Oxidschicht auf der Oberfläche des Metallbandes zu entfernen. Auch hier kann eine nachfolgende Veränderung des Reibungskoeffizienten durch Temperatureinwirkung jedoch nicht verhindert werden und darüber hinaus kann dieses Verfahren zu Mikroverschweißungen benachbarter Bandkanten führen, sodass die Beweglichkeit eingeschränkt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wickelschlauch und ein Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauchs zu schaffen, wobei sich der Wickelschlauch zum einen durch eine gute Dichtigkeit und zum anderen durch eine gute Beweglichkeit, welche insbesondere nicht durch Wärmeversteifung beeinträchtigt wird, auszeichnen soll. Weiterhin soll der Wickelschlauch einfach und kostengünstig herstellbar sein und eine hohe Lebensdauer aufweisen.
  • Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Wickelschlauch aus Metall gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall gemäß Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wickelschlauches finden sich in den Patentansprüchen 2 bis 4, bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 6 bis 16 niedergelegt.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Wickelschlauches zeichnet sich somit dadurch aus, dass an dem Metallband zumindest an den Kontaktflächen im axial mittleren Bereich des Wickelschlauches, an denen benachbarte Bandwindungen aneinander anliegen, zumindest einseitig eine gezielte Oberflächenveränderung durchgeführt wird. Diese gezielte Oberflächenveränderung wird mittels einer Wärmebehandlung des Metallbandes erreicht.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik wird somit keine Beschichtung vorgenommen, beispielsweise durch Sputtern oder Pulverbeschichten, sondern die gezielte Oberflächenveränderung wird durch Wärmebehandlung bewirkt. Die Wärmebehandlung erfolgt unter einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre.
  • Die Benutzung eines Wickelschlauches aus Metall in Abgasanlagen führt typischerweise zur Erwärmung des Wickelschlauches, da die Abgase im Allgemeinen eine wesentlich höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur besit zen. Wesentlich ist daher, dass die gezielte Oberflächenveränderung vor dem Einbauen des Wickelschlauchs in die Abgasanlage durchgeführt wird, d. h. insbesondere vor der ersten Benutzung des Wickelschlauches in der Abgasanlage durch den Endbenutzer. Hierdurch ist gewährleistet, dass der erfindungsgemäße Wickelschlauch eine durch Wärmebehandlung des Metallbandes bewirkte gezielte Oberflächenveränderung zumindest an den Kontaktflächen aufweist, an denen benachbarte Bandwindungen aneinander anliegen, bevor eine Erwärmung durch Benutzung und eine möglicherweise damit einhergehende Veränderung der Oberfläche des Metallbandes stattfindet.
  • Die gezielte Oberflächenveränderung wird erfindungsgemäß an den Kontaktflächen benachbarter Bandwindungen durchgeführt, welche wesentlich an einer Bewegung des Wickelschlauches bei Benutzung beteiligt sind. Somit weist der erfindungsgemäße Wickelschlauch an diesen Kontaktflächen eine veränderte Oberfläche auf. Dies betrifft insbesondere die Bandwindungen, welche sich im axial mittleren Bereich des Wickelschlauches (also nicht in den beiden axialen Endbereichen) befinden, da bei einer Bewegung des Wickelschlauches typischerweise im mittleren Bereich die wesentliche Beweglichkeit des Wickelschlauches durch gegeneinander Verschieben der Bandwindungen erzeugt wird. Selbstverständlich ist es auch denkbar, an sämtlichen Kontaktflächen, an denen benachbarte Bandwindungen aneinander anliegen, zumindest einseitig eine gezielte Oberflächenveränderung zu erzeugen. Dadurch ist gewährleistet, dass unabhängig vom Bewegungsmuster bei Benutzung, d. h. unabhängig davon, welche Bandwindungen durch gegenseitige Relativbewegung die Beweglichkeit des Wickelschlauches erzeugen, die Beweglichkeit an Kontaktflächen erzeugt wird, welche eine gezielte Oberflächenveränderung aufweisen.
  • Wird die gezielte Oberflächenveränderung an dem Metallband durchgeführt, bevor der Wickelschlauch hergestellt wird, so wird erfindungsgemäß die gezielte Oberflächenveränderung mindestens an den Bereichen des Metallbandes vorgenommen, welche bei dem fertigen Wickelschlauch die oben genannten Kontaktflächen ergeben.
  • Wichtig ist, dass entweder das gesamte Metallband oder aber die wesentlichen an der Bewegung des Wickelschlauches teilhabenden Windungen der Wärmebehandlung unterzogen werden. Anderenfalls kann es insbesondere bei großen auftretenden Bewegungen zu einer unerwünschten nachträglichen Veränderung der Reibeigenschaften kommen. Die nicht behandelten Teile des Wickelschlauches weisen dann eine deutlich höhere Reibung auf, als der Rest. Dies hat zur Folge, dass sich der temperaturbehandelte Bereich bevorzugt bewegt und sich die Belastung auf einen kleinen Teil des Schlauches beschränkt, was zu einem ungünstigen Verschleißverhalten führt.
  • Eine gezielte Oberflächenveränderung vor dem Einbauen des Wickelschlauchs in die Abgasanlage weist den Vorteil auf, dass nur das Metallband bzw. der Wickelschlauch oder ein den Wickelschlauch enthaltendes Entkoppelelement der Wärmebehandlung unterzogen werden und dabei nicht die gesamte Abgasanlage gehandhabt werden muss.
  • Ferner wird die gezielte Oberflächenveränderung derart durchgeführt, dass der Wickelschlauch eine Wärmeversteifung von maximal 100% aufweist. Bei herkömmlichen Wickelschläuchen liegt die Wärmeversteifung typischerweise in einem Bereich von 300%–500%. Die Höhe der Wärmeversteifung hängt nach den Erkenntnissen der Anmelderin wesentlich von der Temperatur ab, bei der die Wärmebehandlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur gezielten Veränderung der Oberflächedurchgeführt wird. Zur Verdeutlichung dieses Zusammenhanges soll zunächst der Begriff der Wärmeversteifung und der zugrunde liegende Begriff der Verlustarbeit definiert werden:
    Die Verlustarbeit eines Entkoppelelementes ist die Arbeit, die zur Überwindung der Reibung beim Bewegen des Entkoppelelementes aufgebracht werden muss. Die Verlustarbeit bestimmt maßgeblich das Dämpfungsvermögen der Entkoppelelemente.
  • Die Verlustarbeit ist von der Größe der Bauteilbewegung abhängig. Deswegen ist es notwendig, zur Messung der Verlustarbeit ein spezielles Verfahren vorzuschreiben, welches den Bewegungseinfluss durch die Bauteilbewegung kompensiert und so den Vergleich unterschiedlicher Entkoppelelemente ermöglicht.
  • Sofern ein Entkoppelelement neben dem Wickelschlauch weitere wesentlich zur Dämpfung beitragende Komponenten aufweist, wie beispielsweise ein Gestricke, sollte die Messung lediglich am Wickelschlauch vorgenommen werden, um Einflüsse der weiteren Komponenten auf die Messung zu vermeiden.
  • Bei der Messung der Verlustarbeit wird das Entkoppelelement von der Stauchlage ausgehend in die Strecklage und wieder zurück bewegt. Anschließend wird diese Bewegung wiederholt und dabei der Kraft-Weg-Verlauf bestimmt, d. h. es wird beispielsweise die aufgewendete Kraft gegen den Axialweg des Entkoppelelementes aufgetragen. Die dabei aufgewendete Kraft muss groß genug sein, damit die Endpunkte (d. h. die Streck- und Stauchlage) jeweils sicher erreicht werden, darf aber nicht so groß sein, dass einzelne Komponenten des Entkoppelelementes geschädigt werden.
  • Der wie oben beschrieben dargestellte Kraft-Weg-Verlauf ergibt eine typische Hysteresekurve. Die Verlustarbeit ist dabei der Quotient aus der Fläche innerhalb dieser Hysteresekurve und der Breite der Hysteresekurve in Richtung der Weg-Achse. Anders ausgedrückt ist die Verlustarbeit der mittlere Abstand der oberen und unteren Begrenzungslinie der Hysteresekurve im Kraft-Weg-Diagramm.
  • Eine typische Hysteresekurve ist in 3 dargestellt. Hierbei ist auf der X-Achse die Streckung bzw. Stauchung des Schlauches angegeben und auf der Y-Achse die für eine entsprechende Streckung bzw. Stauchung aufzuwendende Kraft. Die 0-Markierung auf der X-Achse gibt die Position an, in welcher der Wickelschlauch weder gestreckt noch gestaucht ist. Ausgehend von dieser Positiori wird der Wickelschlauch nun zunächst um die Länge X1 gestaucht. Hierfür wird maximal die Kraft F– aufgewandt. Nach Erreichen des Endpunktes der Stauchung Y1 wird nun die in Stauchrichtung einwirkende Kraft F– langsam zurückgenommen und eine in Streckrichtung wirkende Kraft auf den Wickelschlauch aufgebaut, welche bis maximal F+ erhöht wird. Der Wickelschlauch befindet sich nun im Endpunkt der Strecklage (X2). Anschließend wird wiederum die in Streckrichtung wirkende Kraft F+ zurückgenommen bzw. eine in Stauchrichtung wirkende Kraft aufgebaut, bis der Wickelschlauch in die Ausgangslage zurückkehrt, d. h. weder gestreckt noch gestaucht ist. Die Auftragung der aufgewandten Kräfte gegen den von einem Schlauchende zurückgelegten Weg ergibt die in 3 dargestellte Hysteresekurve. Die Verlustarbeit kann nun als Quotient der schraffierten Fläche A, deren Begrenzung von der Hysteresekurve und zwei vertikalen Linien mit dem Abstand Y gebildet wird, und der Streckenlänge Y berechnet werden. Die Streckenlänge Y beschreibt den Auswertebereich der Verlustarbeit. Y beginnt im Abstand von 1 mm vom unteren Umkehrpunkt der Hysteresekurve (Y1 = 1 mm) und endet im Abstand von 1 mm vom oberen Umkehrpunkt (Y2 = 1 mm).
  • Die Wärmeversteifung kann nun folgendermaßen über die Verlustarbeit definiert werden:
    Zunächst wird die Verlustarbeit eines Entkoppelelementes im Anlieferungszustand gemessen, d. h. in dem Zustand, in dem das Entkoppelelement in die Abgasanlage eingebaut und mit der Abgaseinlage zum weiteren Gesamteinbau bzw. zur Endbenutzung ausgeliefert würde.
  • Das Entkoppelelement wird in einen auf 450° vorgeheizten Ofen gelegt und dort unter Normalatmosphäre, d. h. bei normaler Umgebungsluft und damit sauerstoffhaltiger Atmosphäre für 1 Stunde bei 450° geglüht.
  • Danach wird das Entkoppelelement aus dem Ofen entnommen und an Luft bei Raumtemperatur langsam abgekühlt. Anschließend wird die Verlustarbeit des Entkoppelelementes erneut gemessen.
  • Wird ein Anstieg der Verlustarbeit festgestellt, so liegt eine Wärmeversteifung vor, wobei die Wärmeversteifung als prozentualer Anstieg der Verlustarbeit vor und nach der Behandlung im Ofen angegeben wird.
  • Ursache für die Wärmeversteifung ist nach den Erkenntnissen der Anmelderin eine Zunahme des Reibungskoeffizienten der Oberfläche des Metallbandes, zumindest in den Bereichen, an denen benachbarte Bandwindungen des Wickelschlauches aneinander anliegen. Der Reibungskoeffizient ist abhängig von der maximalen Temperatur, der das Metallband bei einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wurde. Diese Abhängigkeit ist qualitativ in 4 dargestellt: Ab einer Mindesttemperatur steigt der Reibungskoeffizient mit steigender Temperatur an, bis eine Temperatur des maximalen Reibungskoeffizienten TmaxR erreicht ist. Ab dieser Temperatur ändert sich auch bei höheren Temperaturen der Reibungskoeffizient nicht mehr wesentlich. Wird das Entkoppelelement wieder abgekühlt, so bleibt der Reibungskoeffizient auf dem Wert, der der maximal bei der Behandlung erreichten Temperatur entspricht. Dieses Verhalten ist nach Erkenntnissen der Anmelderin darin begründet, dass je nach Temperatur unterschiedliche Reaktionen an der Oberfläche des Metallbandes ablaufen, welche unterschiedliche Reibeigenschaften der Oberfläche zur Folge haben.
  • Die Wärmeversteifung ist somit darauf zurückzuführen, dass durch Temperatureinwirkung eine Erhöhung des Reibungskoeffizienten an der Oberfläche des Metallbandes auftritt und damit die Relativbewegung der ineinander greifenden Bandwindungen aufgrund der höheren Reibung der einander anliegenden Kontaktflächen erschwert wird.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Wickelschlauches wird die Temperatur, bei der die Wärmebehandlung des Metallbandes durchgeführt wird, daher derart gewählt, dass sich der Reibungskoeffizient durch nachgelagerte Temperatureinwirkung wie beispielsweise bei der Benutzung des Entkopplungselementes nur noch maximal um einen solchen Betrag ändern kann, der zu einer weiteren Wärmeversteifung von maximal 100% führt.
  • Besonders kostengünstig ist es, wenn die Wärmebehandlung des Metallbandes unter Normalatmosphäre, d. h. unter normaler Umgebungsluft durchgeführt wird. Hierdurch ist zum einen das Vorhandensein von Sauerstoff gewährleistet, zum anderen muss keine spezielle Gasatmosphäre mit entsprechendem apparativem Aufwand und Kosten hergestellt werden.
  • In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird die Wärmebehandlung unter einer Atmosphäre durchgeführt, welche im Wesentlichen der Atmosphäre unter Betriebsbedingungen des Wickelschlauches entspricht. Dies kann bei Kraftfahrzeugen beispielsweise die entsprechende Zusammensetzung der typischen durch die Abgasanlage geleiteten Abgase sein. Hierdurch ist gewährleistet, dass die gezielte Oberflächenveränderung, welche an dem Metallband durch die Wärmebehandlung durchgeführt wird, zu einer Oberfläche führt, welche sich auch bei einer späteren Temperatureinwirkung bei Benutzung des Entkoppelelementes ergeben würde.
  • Um eine möglichst kleine Wärmeversteifung zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die gezielte Oberflächenveränderung bei einer Temperatur durchgeführt wird, welche mindestens die Temperatur des maximalen Reibungskoeffizienten TmaxR beträgt. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch durch eine nachgelagerte Temperatureinwirkung keine Erhöhung des Reibungskoeffizienten mehr auftritt. Nach empirischen Erkenntnissen der Anmelderin liegt für typische aus nicht rostenden Stählen oder Nickelbasislegierungen bestehende Wickelschläuche TmaxR etwa bei 450°C.
  • Die Zeitdauer, in der das Metallband oder der Wickelschlauch der Temperatur ausgesetzt ist, kann variieren. Wesentlich ist, dass genügend Zeit vorhanden ist, dass die chemische Reaktion von Schlauchwerkstoff und Atmosphäre zur Veränderung der Oberfläche stattfinden kann, sodass sich die gewünschten Reibeigenschaften einstellen. Aus Kostengründen sind dabei möglichst kurze Prozesszeiten anzustreben. Sollte der besondere Anwendungsfall dies erfordern, so können selbstverständlich auch längere Prozesszeiten notwendig werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gezielte Oberflächenveränderung nach dem Profilieren und Wickeln des Metallbandes durchgeführt, d. h. der fertig gestellte Wickelschlauch wird der Wärmebehandlung unterzogen. Dadurch kann beispielsweise vermieden werden, dass beim Profilieren und Wickeln des Metallbandes eine vorher veränderte Oberfläche beschädigt wird. Ebenso ist es jedoch auch denkbar, die gezielte Oberfläche zunächst an dem ursprünglichen Metallband durchzuführen und anschließend den Wickelschlauch aus dem Metallband zu fertigen. Sofern die gezielte Oberflächenveränderung nach dem Profilieren und Wickeln des Metallbandes vorgenommen wird, ist es vorteilhaft, wenn der Wickelschlauch einer Weichglühbehandlung unterzogen wird, wobei die Temperatur der Weichglühbehandlung TWG mindestens der Temperatur der maximalen Verlustarbeit TmaxV entspricht. Dies hat folgenden Hintergrund:
    Die Verlustarbeit eines Wickelschlauches und damit auch eines einen Wickelschlauch enthaltenden Entkoppelelementes hängt nicht nur von dem oben erwähnten Reibungskoeffizienten der Oberfläche des Metallbandes ab, sondern auch von der Kraft, mit der benachbarte Bandwindungen aneinander gepresst werden. Diese Kraft wird primär beim Profilieren und schraubengangförmigen Wickeln des Metallbandes vorgegeben. Durch Temperatureinwirkung erfolgt jedoch ein Weichglühen des Metalls, sodass die Kraft, mit der die Kontaktflächen aneinander gepresst werden, um so mehr abnimmt, um so höher die Temperatur des Weichglühens ist. Die Verlustarbeit eines Wickelschlauches in Abhängigkeit der Temperatur hat daher einen in etwa glockenförmigen Verlauf, wie qualitativ in 5 dargestellt:
    Mit steigender Temperatur steigt die Verlustarbeit zunächst an, aufgrund des steigenden Reibungskoeffizienten. Bei weiter steigender Temperatur führt das Weichglühen und die entsprechende Abnahme der Kraft, mit der die Kontaktflächen an einandergepresst werden, zu einer Abnahme der Verlustarbeit.
  • Je nach Material, Größe der Kontaktflächen und ursprünglich erzeugter Andruckkraft kann die in 5 dargestellte Kurve ein ausgeprägtes Maximum (durchgezogene Linie) oder einen plateauförmigen Verlauf bei maximaler Verlustarbeit (gestrichelte Linie) aufweisen.
  • Wesentlich ist jedoch, dass es eine minimale Temperatur TmaxV gibt, ab der auch bei steigender Temperatur die Verlustarbeit nicht mehr zunimmt. Diese Temperatur ist im Wesentlichen vom Verlauf des Reibungskoeffizienten vorgegeben, sodass in guter Näherung gilt TmaxR ≈ TmaxV.
  • Für eine vorgegebene Verlustarbeit V gibt es somit zwei Temperaturen, welche nach einer entsprechenden erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des Metallbandes zu der vorgegebenen Verlustarbeit V führen. Dies ist in 6 dargestellt:
    Einer vorgegebenen Verlustarbeit V entsprechen auf der Kurve zwei Temperaturen T1 und TWG, wobei T1 kleiner TmaxV und TWG größer TmaxV ist. Somit würde eine Wärmebehandlung in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit jeder der beiden Temperaturen zu der gewünschten Verlustarbeit führen. Vorteilhaft ist jedoch eine Einstellung der gewünschten Verlustarbeit V durch die höhere der beiden Temperaturen TWG Bei dieser Temperatur ist bereits der maximale Reibungskoeffizient erreicht, da sie über TmaxV und damit auch über der Temperatur des maximalen Reibungskoeffizienten TmaxR liegt. Die Einstellung der gewünschten Verlustarbeit V erfolgt somit dadurch, dass zum einen eine Oberfläche mit dem maximalen Reibungskoeffizienten mittels gezielter Oberflächenveränderung erzeugt wird und zum anderen durch Weichglühen die Kraft, mit der die Kontaktflächen aneinander gepresst werden, derart eingestellt wird, dass die gewünschte Verlustarbeit auftritt.
  • Der wesentliche Vorteil der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Temperatur TWG liegt darin, dass keine Änderung der Verlustleistung mehr auftritt. Wäre die Wärmebehandlung dagegen bei der Temperatur T1 durchgeführt worden, so hätte der Wickelschlauch zwar zunächst die gewünschte Verlustarbeit, bei einer Wärmeeinwirkung mit einer Temperatur größer T1 würde jedoch die Verlustarbeit weiter ansteigen und somit eine zusätzliche Wärmeversteifung auftreten.
  • Besonders vorteilhaft ist es daher, wenn zunächst an einem Wickelschlauch die in 6 dargestellte Eichkurve, d. h. die Abhängigkeit der Verlustarbeit von der Temperatur vermessen wird. Dies kann dadurch geschehen, dass ausgehend von einer niedrigen Temperatur eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt wird, dass anschließend die Verlustarbeit gemessen wird und dass darauf folgend eine um einen kleinen Betrag höhere Temperatur für den gleichen Vorgang gewählt wird. Durch mehrmaliges hintereinander Ausführen kann somit eine Eichkurve für diesen Wickelschlauch bestimmt werden. Anhand der Eichkurve kann die optimale Weichglühtemperatur TWG für eine vorgegebene Verlustarbeit für baugleiche Wickelschläuche ermittelt werden. Anschließend kann bei der Herstellung für jeden baugleichen Wickelschlauch das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Wärmebehandlung bei der wie beschrieben bestimmten optimalen Weichglühtemperatur durchgeführt werden.
  • Die Wärmebehandlung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf unterschiedliche Arten erfolgen. Das Metallband oder der fertig gestellte Wickelschlauch kann beispielsweise in einem Ofen oder durch Induktion erwärmt werden. Aber auch andere Verfahren sind möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmebehandlung durch das an sich bekannte Induktivglühen erfolgt. Hierdurch kann typischerweise innerhalb von wenigen Sekunden die gewünschte Temperatur erreicht werden, sodass kurze Taktzeiten und damit ein Kosten sparender Herstellungsprozess möglich ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wickelschlauches wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen
  • 1 einen erfindungsgemäßen Wickelschlauch in Seitenansicht, zum Teil in Axialschnitt,
  • 2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Wickelschlauches aus 1 im Bereich der ineinander greifenden Bandkanten im Axialschnitt.
  • 3 bis 6 beschreiben den Verlauf des Reibungskoeffizienten bzw. der Verlustarbeit in Abhängigkeit der Temperatur und wurden bereits vorhergehend beschrieben.
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßer Wickelschlauch, welcher als Agraffschlauch 1 ausgeführt ist, dargestellt. Der Agraffschlauch 1 ist aus einem S-förmig profilierten Metallband gewickelt. Die obere Hälfte von 1 zeigt die Seitenansicht des Agraffschlauches 1, während die untere Hälfte einen Axialschnitt bzw. eine Innenansicht des Agraffschlauches darstellt. Der genaue Aufbau des erfindungsgemäßen Agraffschlauches lässt sich aus der ausschnittsweisen Vergrößerung der ineinander greifenden Bandkanten 2 gemäß 2 erkennen.
  • Diese in 2 dargestellte Vergrößerung zeigt zwei benachbarte Bandwindungen desselben Metallbandes 3, welche miteinander verfalzt sind. Die S-förmige Profilierung des Metallbandes 3 lässt Schenkel 4, 5 auf der radialen Innen- bzw. Außenseite des Falzes sowie innerhalb des Falzes nach innen geschlagene endständige Falzborde 6 bzw. 7 entstehen. Durch das Verfalzen ist der endständige Falzbord 7 der ersten Bandwindung 3a zwischen dem endständigen Falzbord 6 sowie dem Schenkel 5 der benachbarten Bandwindung 3b eingeklemmt. In gleicher Weise ist der endständige Falzbord 6 der zweiten Bandwindung 3b zwischen dem endständigen Falzbord 7 sowie dem Schenkel 4 der ersten Bandwindung 3a eingeklemmt.
  • Das Einklemmen bewirkt nun eine Kraft, mit der die Kontaktflächen zwischen Falzbord 7 und Schenkel 5, Falzbord 6 und Schenkel 4, sowie zwischen Falzbord 7 und Falzbord 6 aneinander gedrückt werden.
  • Die Beweglichkeit des Wickelschlauches wird durch ein gegeneinander Verschieben der ersten Bandwindung 3a gegenüber der zweiten Bandwindung 3b in der mit B in 2 gekennzeichneten Richtung erreicht. Der Verschiebung wirkt die Reibungskraft entgegen, welche wesentlich von der oben genannten Anpresskraft an den Kontaktflächen und dem Reibungskoeffizienten der Kontaktflächen abhängt.
  • Der in 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Wickelschlauch wurde derart hergestellt, dass nach dem Profilieren und schraubengangförmigen Wickeln des Metallbandes der Wickelschlauch einer Wärmebehandlung unter Normalatmosphäre unterzogen wurde. Die Wärmebehandlung wurde durch Induktivglühen bei größer 500°C bis 1000°C für eine Dauer von größer 15 Se kunden bis 150 Sekunden durchgeführt. Hierdurch wurde an dem Metallband 3 ganzflächig die Oberfläche 8, 9 verändert. Somit liegen an den Kontaktflächen jeweils die gezielt veränderten Oberflächen des entsprechenden Teilbereiches aufeinander und die Reibung zwischen den Kontaktflächen wird – neben der Anpresskraft – von dem Reibungskoeffizienten der Oberflächen 8, 9 bestimmt.
  • Der Temperaturbereich von größer 500°C bis 1000°C, bei der die Wärmebehandlung des Wickelschlauches durchgeführt wurde, ist zum einen so gewählt, dass die Oberflächen 8, 9 den maximal möglichen Reibungskoeffizient aufweist, d. h. auch bei höheren Temperaturen wird der Reibungskoeffizient nicht weiter ansteigen. Zum anderen ist die Temperatur derart gewählt, dass durch Weichglühen des Wickelschlauches 1 die Kraft, mit der die Kontaktflächen aneinander gedrückt werden, derart abgenommen hat, dass in Verbindung mit dem maximalen Reibungskoeffizienten der Oberflächen 8, 9 eine gewünschte Verlustleistung V des Wickelschlauches erreicht wird.
  • Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Wickelschlauch weist somit zum einen den Vorteil auf, dass eine Wärmeversteifung von maximal 100% auftritt und zum anderen auf einfachem Wege, nämlich durch die Wahl der optimalen Weichglühtemperatur eine gewünschte Verlustleistung erreicht werden kann. Darüber hinaus ist die Wärmebehandlung, insbesondere durch Induktivglühen unter Normalatmosphäre im Vergleich zum Beschichtungsverfahren kostengünstig und erlaubt kurze Taktzeiten.

Claims (16)

  1. Wickelschlauch aus Metall für Abgasanlagen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, wobei der Wickelschlauch aus mindestens einem profilierten, schraubengangförmig gewickelten Metallband gefertigt ist und die Profilierung des Metallbandes derart ausgeführt ist, dass Bandkanten benachbarter Bandwindungen beweglich ineinander greifen, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband zumindest an Kontaktflächen im axial mittleren Bereich des Wickelschlauchs, an denen benachbarte Bandwindungen aneinander anliegen, zumindest einseitig eine gezielte Oberflächenveränderung aufweist, und dass die gezielte Oberflächenveränderung eine durch eine Wärmebehandlung des Metallbandes vor dem Einbau des Wickelschlauchs in die Abgasanlage unter einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bewirkte gezielte Oberflächenveränderung ist, wobei die Temperatur, bei der die Wärmebehandlung des Metallbandes durchgeführt wird, derart gewählt ist, dass sich der Reibungskoeffizient durch nachgelagerte Temperatureinwirkung nur noch maximal um einen solchen Betrag ändert, dass der Wickelschlauch im Betrieb eine Wärmeversteifung von maximal 100% aufweist.
  2. Wickelschlauch aus Metall für Abgasanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelschlauch nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 5 bis 16 hergestellt ist.
  3. Wickelschlauch aus Metall nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband zumindest an den Kontaktflächen, an denen benachbarte Bandwindungen aneinander anliegen, beidseitig die gezielte Oberflächenveränderung aufweist, insbesondere dass das Metallband im Wesentlichen an der gesamten Oberfläche die gezielte Oberflächenveränderung aufweist.
  4. Wickelschlauch aus Metall nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband zumindest an den Kontaktflächen im gesamten Bereich des Wickelschlauches, an denen benachbarte Bandwindungen aneinander anliegen, zumindest einseitig eine gezielte Oberflächenveränderung aufweist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall für Abgasanlagen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, wobei mindestens ein Metallband derart profiliert und schraubengangförmig gewickelt wird, dass die Bandkanten benachbarter Bandwindungen beweglich ineinander greifen, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Metallband zumindest an den Kontaktflächen im axial mittleren Bereich des Wickelschlauches, an denen benachbarte Bandwindungen aneinander anliegen, zumindest einseitig eine gezielte Oberflächenveränderung durchgeführt wird, dass die gezielte Oberflächenveränderung mittels einer Wärmebehandlung des Metallbandes durchgeführt wird, wobei die Temperatur, bei der die Wärmebehandlung des Metallbandes durchgeführt wird, derart gewählt ist, dass sich der Reibungskoeffizient durch nachgelagerte Temperatureinwirkung nur noch maximal um einen solchen Betrag ändert, dass der Wickelschlauch im Betrieb eine Wärmeversteifung von maximal 100% aufweist, dass die Wärmebehandlung unter einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird, und dass die Wärmebehandlung vor dem Einbauen des Wickelschlauches in die Abgasanlage durchgeführt wird.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Oberflächenveränderung unter einer Normalatmosphäre durchgeführt wird.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Oberflächenveränderung unter einer Atmosphäre durchgeführt wird, welche im Wesentlichen der Atmosphäre unter Betriebsbedingungen des Wickelschlauches entspricht.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Oberflächenveränderung bei einer Temperatur durchgeführt wird, welche mindestens der Temperatur des maximalen Reibungskoeffizienten TmaXR der Oberfläche des Metallschlauchs, insbesondere mindestens 450°C beträgt.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Oberflächenveränderung nach dem Profilieren und Wickeln des Metallbandes durchgeführt wird.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Oberflächenveränderung vor dem Wickeln des Metallbandes durchgeführt wird.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach zumindest Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelschlauch einer Weichglühbehandlung unterzogen wird, wobei die Temperatur der Weichglühbehandlung TWG mindestens der Temperatur der maximalen Verlustarbeit TmaxV, insbesondere mindestens 450°C entspricht.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichglühbehandlung im Wesentlichen bei einer vorgewählten Weichglühtemperatur TWG durchgeführt wird, die im Wesentlichen zu einer gewünschten Verlustarbeit V des Wickelschlauches führt.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach Anspruch 12, folgende Schritte umfassend: – Bestimmen einer Eichkurve, welche die Abhängigkeit der Verlustarbeit des Wickelschlauches von der Weichglühtemperatur wiedergibt, – Bestimmen der optimalen Weichglühtemperatur TWG für eine vorgegebene Verlustarbeit V anhand der Eichkurve und – Durchführen des Verfahrens zur Herstellung des Wickelschlauches nach Anspruch 11 mit der optimalen Weichglühtemperatur TWG.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Oberflächenveränderung derart durchgeführt wird, dass der Wickelschlauch eine Wärmeversteifung von maximal 50%, insbesondere maximal 30% aufweist.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung des Metallbandes durch Induktivglühen erfolgt.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Wickelschlauches aus Metall nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Metallband zumindest an den Kontaktflächen im gesamten Bereich des Wickelschlauches, an denen benachbarte Bandwindungen aneinander anliegen, zumindest einseitig eine gezielte Oberflächenveränderung durchgeführt wird.
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