DE19639324A1 - Rohrschelle mit Kopfschraube zur Sicherung einer Rohrverbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rohrschelle mit Kopfschraube zur Sicherung einer Rohrverbindung, insbesondere miteinander zu verbindender Rohre der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer solchen Rohrschelle ist die Lasteinleitung nicht gleichmäßig, sondern diese erfolgt über mehrere auf der Man­ telfläche der aneinandergrenzenden Rohre verlaufende Kontakt­ stellen. Zusätzlich gibt es im Bereich des Schlosses der Rohrschelle eine lokale Druckstelle. An jeder Kontaktstelle kommt es zu lokalen Spannungskonzentrationen. Bei ungünstigen Verhältnissen entstehen bei der Herstellung der Verbindung bei Raumtemperatur bereits bleibende Dehnungen an dem innen­ liegenden Rohr. Da das äußere das Innenrohr umfassende Rohr axial geschlitzt ist, kommt es dagegen dort zu keinen unak­ zeptablen Spannungskonzentrationen.

Bei steigender Temperatur nimmt die Steckgrenze der Rohrwerk­ stoffe stark ab. Deshalb kann es bei spannungsmäßig hoch be­ lasteten Rohrschellen zu einem Fließen des Rohrmaterials kom­ men, was insbesondere das ungeschlitzte innenliegende Rohr betrifft. Dies bedeutet, daß nach dem Abkühlen das durch das äußere Rohr geklemmte Innenrohr auf einen kleineren Durchmes­ ser verformt sein kann. Dadurch kann die Klemmkraft bei der Verbindung so weit absinken, daß die ineinandergesteckten Rohre sich verschieben oder verdrehen können und auch nicht mehr dicht sind. Diese Konsequenz kann insbesondere bei gat­ tungsgemäß verbundenen Abgasrohren auftreten, da an diesen Rohren Temperaturen bis zu 800°C herrschen können. Zu einer die Fließgrenze des Materials des Innenrohrs einer gattungs­ gemäßen Verbindung überschreitenden Beanspruchung kann es insbesondere dann kommen, wenn bei einem schnellen Aufheizen der Abgasanlage ein Temperaturunterschied zwischen dem von heißen Abgasen durchströmten Innenrohr und der vom Fahrtwind gekühlten Rohrschelle entsteht. Ein solcher Temperaturunter­ schied kann beispielsweise 180°C messen. In diesem Fall entsteht durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung eine ver­ stärkte Klemmkraft durch die Rohrschelle. Dies führt wiederum zu einer erhöhten bleibenden Verformung des Innenrohres. Die vorstehend geschilderte Problematik tritt beispielsweise bei einer durch eine gattungsgemäße Rohrschelle gesicherten Rohr­ verbindung nach EP 0 222 784 B1 auf.

Hier Abhilfe dahingehend zu schaffen, daß kein die Sicherung der Rohrverbindung gefährdender Klemmkraftschwund bei einer gattungsgemäßen Rohrschellen-Rohrverbindung auftreten kann, ist das Ziel der vorliegenden Erfindung.

Dieses Ziel wird bereits in einem erheblichen Umfang durch eine Maßnahme nach dem kennzeichnenden Merkmal des Patentan­ spruchs 1 erreicht.

Durch die vorgeschlagene Materialpaarung wird in einem Zu­ stand, in dem die Rohrschelle eine erheblich geringere Tempe­ ratur besitzt als die von ihr gegeneinander zu verklemmenden Rohre, durch diesen Temperaturunterschied bedingt keine Ein­ schnürung in einem solchen Maße bewirkt, daß es zu einer bleibenden Verformung des Innenrohres aufgrund zu hoher Klemmkraft kommt.

Eine zusätzliche Maßnahme zur Erreichung des erfindungsgemä­ ßen Zieles zeigt der Anspruch 2 auf. Danach besitzt die Kopf­ schraube einen länglich verlaufenden Kopf, der in an der Rohrschelle montiertem Zustand parallel zur Achse der Rohr­ schelle ausgerichtet ist. Eine Rohrschelle, aufs die sich die Erfindung bezieht, ist ein kreisringförmig gebogenes Metall­ band mit als doppellagigen gelochten Laschen ausgebildeten Enden zur Aufnahme einer Kopfschraube. Das freie Schaftende der Kopfschraube ist mit einem Gewinde versehen und dient zur Aufnahme einer Mutter. In montiertem Zustand der Rohrschelle besitzt diese ein von der Kopfschraube durchgriffenes zwi­ schen den Laschen liegendes geformtes Klemmstück sowie ein Auflageformteil zwischen der Mutter der Kopfschraube und der angrenzenden Lasche der Rohrschelle. Eine solche Rohrschelle ist beispielsweise in der eingangs genannten EP 0 222 784 B1 dargestellt und beschrieben.

Zur Vermeidung lokaler Verspannungen beim Anziehen der Mutter auf die Kopfschraube dient die längliche in Achsrichtung der Rohrschelle ausgerichtete Form des Schraubenkopfes. Bei der Abstützung des beim Anziehen der Mutter auftretenden Drehmo­ mentes ist ein langer Hebelarm zwischen der an dem Schrauben­ kopf erfolgenden Kraftübertragung gegenüber der Lasche der Rohrschelle und der Achse der Kopfschraube für das Auftreten einer relativ niedrigen Abstützkraft wichtig. Bei gering auf­ tretenden Abstützkräften bei der Übertragung vom Schrauben­ kopf auf die Rohrschelle sinkt die Gefahr einer unzulässig hohen lokalen Verspannung an der Rohrschelle.

Zweckmäßige Ausgestaltungen eines länglich geformten Schrau­ benkopfes sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im Rahmen gezeichneter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert werden.

Ausnehmungen in dem Schraubenkopf an Stellen, mit denen der Schraubenkopf insbesondere nicht seitlich an der Rohrschelle anliegt, sind vorteilhaft und teilweise sogar erforderlich, wenn Hammerkopfschrauben eingesetzt werden. Denn ohne Ausneh­ mung ist ein relativ großes Volumen zu verformen, was zu Ver­ formungsanrissen im Bereich der Schraubenköpfe führen kann.

Ausführungs- und Anwendungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 die Explosionsdarstellung einer Rohrverbindung mit Hilfe einer Rohrschelle,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Rohrschelle nach Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Hammerkopfschraube mit einem doppelkufenförmigen Kopf,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Kopf der Hammerkopfschraube nach Fig. 3 mit eingetragenem Kräfteverlauf beim Spannen der Rohrschelle,

Fig. 5 einen Mittelschnitt durch die Hammerkopfschraube nach Fig. 3,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Hammerkopfschraube mit einer wannenförmigen Ausnehmung in der Stirnflä­ che des Hammerkopfes,

Fig. 7 eine Ansicht der Hammerkopfschraube nach Fig. 6 mit angedeuteter wannenförmiger Ausnehmung,

Fig. 8 eine weitere Ausführung einer Hammerkopfschraube mit einem hufeisenförmig gestalteten Hammerkopf,

Fig. 9 die Draufsicht auf eine Hammerkopfschraube mit einem in dieser Ansicht trapezförmig gestalteten Hammer­ kopf,

Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Hammerkopf mit kreisseg­ mentförmig gestalteter Stirnfläche.

Die in der Explosionsdarstellung in Fig. 1 gezeigten Rohre 1 und 2 werden zu einer Verbindung miteinander ineinanderge­ schoben. Aufgrund unterschiedlicher Durchmesser fungiert das Rohr 1 als Innenrohr und das Rohr 2 als Außenrohr. Das Außen­ rohr 2 ist axial geschlitzt. Zur Rohrverbindung wird eine Rohrschelle 3 auf den geschlitzten Endbereich des Außenrohres 2 aufgesetzt.

Die Rohrschelle 3 besteht aus ringförmig gebogenem metalli­ schem Bandmaterial, wobei die Bandenden zu einer jeweils dop­ pellagigen gelochten Lasche 4 geformt sind. Durch die Laschen 4 greift eine Hammerkopfschraube 5, an deren freiem mit einem Gewinde versehenen Schaftende eine Mutter aufschraubbar ist. Zwischen den Laschen 4 befindet sich ein geformtes Klemmstück 7. Auch die Mutter 6 liegt nicht direkt an der benachbarten Lasche 4 an, sondern über ein dazwischen liegendes Formstück 8.

Der Hammerkopf 9 der Hammerkopfschraube 5 kann eine Doppel-Kufenform besitzen, wie sie im einzelnen in den Fig. 3 bis 5 dargestellt ist. Die Kufen 10 besitzen mit Bezug auf ihre Längserstreckung in ihrem mittleren an die Achse der Hammer­ kopfschraube 4 angrenzenden Bereich eine Verbindung unterein­ ander. An ihren Enden besitzen diese Kufen 10 frei auskragen­ de Endbereiche. Mit ihren Außenseiten stützen sich die Kufen 10 an dem Bandmaterial der Rohrschelle 3 kraft- und form­ schlüssig ab. Insbesondere die frei auskragenden Enden der Kufen 10 übertragen die Abstützkraft bei der Übertragung des Anzieh- bzw. Lösedrehmomentes beim Anziehen bzw. Lösen der Mutter 6 der Hammerkopfschraube 5. Die beim Anziehen der Mut­ ter 6 wirksamen Kraftübertragungsbereiche zwischen dem Ham­ merkopf 9 und der angrenzenden Rohrschelle sind in Fig. 4 durch Pfeile gekennzeichnet.

Bei der Hammerkopf-Ausführung nach Fig. 6 befindet sich in der Stirnfläche eine wannenförmige Ausnehmung 11. Die Doppel-Kufenausführung des Hammerkopfes 9 nach der Fig. 3 hat gegen­ über der Ausführung mit der wannenförmigen Ausnehmung nach Fig. 6 den Vorteil, daß die Hauptkraftübertragung des Anzieh­ bzw. Lösedrehmomentes in frei auskragenden Materialbereichen erfolgt, wodurch aufgrund einer Nachgiebigkeit dieser Ab­ stützbereiche eine "weiche" Krafteinleitung verteilt über ei­ nen relativ großen Flächenbereich in die Rohrschelle 3 erfol­ gen kann.

Die hufeisenförmige Hammerkopfausführung nach Fig. 8 liegt mit Bezug auf die vorgenannten Drehmomentübertragungseigen­ schaften qualitativ zwischen den Ausführungen der Hammerkopf­ schraube entsprechend den Fig. 3 bis 5 einerseits und der Ausführung nach Fig. 6 andererseits.

In Fig. 7, in der eine Ansicht der Hammerkopfschraube 5 nach Fig. 6 dargestellt ist, sind Abmessungsverhältnisse an dieser Hammerkopfschraube 5 angegeben, die zweckmäßigerweise einge­ halten werden sollten. Danach soll die Länge des Hammerkopfes 9 etwa dem zwei- bis dreifachen Wert des Schaftdurchmessers D entsprechen. Des weiteren soll zwischen dem Übergang des Schaftes in den Hammerkopf 9 und einer in dem Hammerkopf vor­ gesehenen Ausnehmung 11 im Schaftbereich mindestens ein kom­ pakter Materialbereich in einer Tiefe von etwa dem halben Schaftdurchmesser gegeben sein, um dort eine ausreichende Kraftübertragung sicherzustellen.

Bei der in der Stirnfläche trapezförmigen Ausbildung eines Hammerkopfes 9 nach Fig. 9 sorgen jeweils entgegengerichtete Trapezenden für die Drehmomentübertragung beim Spannen der Rohrschelle 3.

Bei der kreissegmentförmigen Hammerkopf-Ausführung nach Fig. 10 sind bei einer Montage und Demontage der Rohrschelle 3 je­ weils an der im wesentlichen geradlinig verlaufenden Hammer­ kopf-Querseite aufgrund dort bestehender langer Hebelarme kleine Drehmomente gegenüber der Rohrschelle 3 wirksam. Bei der Ausführung nach Fig. 9 ist dies dagegen lediglich beim Spannen der Rohrschelle 3 gegeben.

Bezüglich der einzusetzenden möglichen Formen länglicher Schraubenköpfe 9 ist es von besonderem Vorteil, wenn dessen Quersteifigkeit zu seinen Enden hin abnimmt, um dadurch eine weiche Lasteinleitung in die angrenzende Rohrschelle erzielen zu können. Dies ist besonders wichtig, wenn die Rohrschelle als Bauteil eine geringe Eigensteifigkeit besitzt. Der Schraubenkopf 9 soll möglichst in seinem gesamten Bereich, in dem er auf einer der Laschen 4 aufliegt, gegenüber dieser ei­ nen durchgehenden Formschluß aufweisen, damit sich bei der Montage der Rohrschelle 3 eine vollflächige Anlage zwischen dem Schraubenkopf 9 und der angrenzenden Lasche 4 der Rohr­ schelle 3 einstellen kann.

Um die erfindungsgemäß gewünschte unterschiedliche Ausdehnung zwischen Rohrschelle 3 und Rohren 1, 2 erzielen zu können, können die Rohre 1, 2 beispielsweise aus ferritischem und die Rohrschelle 3 aus austenitischem Stahl sein. Ist die Rohrver­ bindung lediglich relativ niedrigen Temperaturen ausgesetzt, so kann bei einer Stahlausführung der Rohe 1, 2 die Rohr­ schelle 3 aus einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten be­ sitzendem Aluminium bestehen. Durch die erfindungsgemäße Festlegung unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten für die Rohre 1, 2 einerseits und die Rohrschelle 3 andererseits er­ gibt sich der Vorteil, daß bei Temperaturerhöhung sich die Rohrschelle 3 stärker ausdehnt als das Innenrohr 1. Die Klemmkraft wird dadurch reduziert und das Innenrohr 2 daher auch bei einer temperaturbedingt abgesenkten Streckgrenze des Werkstoffes nicht bleibend gestaucht.

Claims (8)

1. Rohrschelle mit Kopfschraube zur Sicherung einer Rohr­ verbindung, insbesondere miteinander zu verbindender Rohre der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges, bei der das Ende eines ersten Rohres in ein axial geschlitztes Ende eines zweiten Rohres eingeschoben ist und die Rohrschelle bei angezogener Kopfschraube auf dem geschlitzten Rohrende aufsitzend die beiden Rohrenden kraftschlüssig miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschelle (3) aus einem Material mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten als demjenigen des Materials der miteinander zu verbindenen Rohre (1, 2) besteht.

2. Rohrschelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenkopf (Hammerkopf 9) der Kopfschraube (Hammerkopfschraube 5) in Draufsicht eine in Achsrichtung der Rohrschelle (3) größere Erstreckung als senkrecht dazu be­ sitzt.

3. Rohrschelle mit insbesondere einem Hammerkopf, dadurch gekennzeichnet, daß der Hammerkopf (9) in Draufsicht erkennbare Ausnehmungen (11) in Bereichen außerhalb seiner Querseiten besitzt.

4. Rohrschelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden gegenüberliegenden Querseiten des Hammer­ kopfes (9) dessen Längserstreckung mit Bezug auf dessen Achse unsymmetrisch ist.

5. Rohrschelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden gegenüberliegenden Querseiten des Hammer­ kopfes (9) in dessen Längsrichtung zu beiden Seiten von des­ sen Achse dessen Längserstreckung jeweils entgegengerichtet am größten ist.

6. Rohrschelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längserstreckung des Hammerkopfes (9) das zwei- bis dreifache des Schaftdurchmessers der Hammerkopfschraube (5) mißt.

7. Rohrschelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund der Ausnehmung (11) in dem Hammerkopf (9) zu­ mindest im Mittenbereich der Kopfschraube (5) noch mindestens um den halben Wert des Schaftdurchmessers der Kopfschraube (5) oberhalb des Schaftendes der Kopfschraube (5) liegt.

8. Rohrschelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Hammerkopfes (9) der Breite der Rohrschelle (3) entspricht.