DE19824095A1 - Flexibles Leitungselement - Google Patents

Abstract

Ein flexibles Leitungselement, insbesondere für Abgasleitungen von Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen, zeichnet sich dadurch aus, daß es wenigstens zwei mit zylindrischen Anschlußenden versehene und miteinander verbundene Bälge aus Metall aufweist, wobei wenigstens einer der Bälge ein wendelgewellter Balg ist. Ein derart aufgebautes Leitungselement ist einerseits torsionsweich, so daß es bei Torsionsbeanspruchung diese nicht an benachbarte Bauteile weiterleitet, und andererseits auch bei hohen Torsionsbelastungen stabil.

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement, insbesondere für Abgasleitungen von Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen.

Flexible Leitungselemente werden beispielsweise als Zwischenstücke in die Abgasleitung eines Kraftfahrzeugs eingebaut, die am Fahrzeugboden installiert ist, um Bewegungen und Schwingungen aufzunehmen und von der Weiterleitung an benachbarte Bauteile abzukoppeln, wie sie von der elastisch gelagerten Antriebsmaschine, Stö­ rungen des Fahrzeugs, temperaturbedingten Längenänderun­ gen etc. entstehen. Sie bestehen in der Regel aus einem wendelgewellten oder ringgewellten Balg aus Metall sowie weiteren Elementen, wie Leitungs- und/oder Tragelementen sowie Zusatzelementen zur Abstützung und/oder Erhöhung der Stabilität, z. B. Metallgestricke, oder Dämpfungsele­ menten, so daß bei Schwingungsanregung im Bereich der Resonanzfrequenz des Balges Bewegungsüberhöhungen des letztgenannten, die zu einer Beeinträchtigung der Lebens­ dauer und in Wechselwirkung mit anderen Bauteilen zur Erzeugung von Geräuschen führen, vermieden werden.

In vielen Fällen werden flexible Leitungselemente dieser Art Torsionsbelastungen ausgesetzt. Ist der Balg solcher Leitungselemente torsionssteif ausgeführt, wie z. B. ein Parallelbalg, so führen solche Torsionsbelastungen zwar nicht zu dessen Versagen, aber sie werden in unerwünsch­ ter Weise an benachbarte Bauteile weitergeleitet. Ist der Balg torsionsweich, so eignet er sich zur Entkopplung benachbarter Bauteile, doch können insbesondere dynami­ sche Torsionsbelastungen zu dessen Versagen führen. In diesem Zusammenhang sei hervorgehoben, daß bei dynami­ scher Beanspruchung ein metallischer Werkstoff früher ermüdet als bei statischer Beanspruchung, wobei die Beanspruchungen, denen ein Leitungselement in der Abgas­ leitung eines Kraftfahrzeugs ausgesetzt ist, vor allem dynamischer Natur sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Leitungselement der eingangs genannten Art dieses derart auszurüsten, daß es einerseits torsions­ weich ist, so daß es bei Torsionsbeanspruchung diese nicht an benachbarte Bauteile weiterleitet, und anderer­ seits auch bei hohen Torsionsbelastungen nicht versagt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Leitungsele­ ment der eingangs genannten Art gelöst, welches wenig­ stens zwei mit zylindrischen Anschlußenden versehene und miteinander verbundene Bälge aus Metall aufweist, wobei wenigstens einer der Bälge ein wendelgewellter Balg ist.

Die Tordierbarkeit des erfindungsgemäß ausgestalteten Leitungselements beruht auf der physikalischen Ähnlich­ keit eines wendelgewellten Metallbalges mit einer Schrau­ benfeder. Wird eine Schraubenfeder gelängt oder ge­ staucht, erfährt sie eine Rückstellkraft F, die der Auslenkung s proportional ist, wobei der Proportionali­ tätsfaktor D die Federstärke ist:

F = D × s

Bei einer Auslenkung s beginnt die Schraubenfeder, sich um ihre Längsmittelachse zu verdrehen oder zu tordieren, wobei die Verdrehung um die Längsmittelachse proportional zur Auslenkung ist. Umgekehrt ist eine Schraubenfeder in der Lage, eine Torsionsbelastung in eine Längenänderung umzusetzen, wobei die mit der Auslenkung proportionale Rückstellkraft F somit proportional zur Verdrehung um ihre Längsmittelachse ist. Werden also mehrere Schrauben­ federn miteinander kombiniert, so können die einzelnen Federn Torsionsbewegungen in translatorische Bewegungen axialer Richtung umsetzen, wobei die Kombination von Schraubenfedern in der Lage ist, torsionsinduzierte translatorische Bewegungen zu kompensieren.

Wie bereits gesagt, verhält sich ein wendelgewellter Balg ähnlich. Bei Torsionsbeanspruchung setzt er die Verdre­ hung um seine Längsmittelachse in eine Längenänderung um, wobei er eine zur Längenänderung proportionale Rückstell­ kraft erfährt. Werden nun weitere axial flexible Bälge mit einem wendelgewellten Balg kombiniert, so wird eine Entkopplung von Torsionsbewegungen mit translatorischen Bewegungen erreicht, wobei es in den meisten Fällen ausreicht, lediglich zwei Bälge miteinander zu kombinie­ ren. Dabei muß mindestens ein Balg zur Umsetzung der Torsion in eine Längenänderung wendelgewellt sein, wäh­ rend der zweite Balg zur Kompensierung dieser Längenände­ rung wendelgewellt oder ringgewellt sein kann.

Die Torsionsweichheit des erfindungsgemäßen Leitungsele­ ments kann über die Geometrie der Gewindegänge des oder der wendelgewellten Bälge eingestellt werden. Die Tor­ sionsweichheit nimmt bei konstanter Gewindesteigung mit zunehmender Anzahl der Gewindegänge zu. Weiterhin nimmt die Torsionsweichheit mit zunehmender Gewindesteigung bei konstanter Anzahl der Gewindegänge zu. Soll ein besonders torsionsweiches Leitungselement geschaffen werden, so sollte es folglich mindestens einen wendelgewellten Balg mit einer hohen Anzahl von Gewindegängen hoher Gewinde­ steigung aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erfin­ dungsgemäße Leitungselement hintereinander angeordnete Bälge auf, deren Durchmesser in etwa gleich sind und die an jeweils einem ihrer zylindrischen Anschlußenden, beispielsweise durch Schweißen, miteinander verbunden sind. Da zur Entkopplung von in der Abgasleitung eines Kraftfahrzeuges auftretenden Torsionsbeanspruchungen in der Regel zwei Bälge ausreichen - ein wendelgewellter Balg zur Umsetzung der Torsion in eine Längenänderung sowie ein weiterer wendelgewellter oder ein ringgewellter Balg zur Kompensierung der Längenänderung -, sollten bevorzugt aus Kostengründen auch nur zwei Bälge als Grundelemente des Leitungselements verwendet werden.

Wie bereits angedeutet, sieht eine Ausführungsvariante die Kombination eines wendelgewellten Balges mit einem weiteren wendelgewellten Balg vor, während in einer anderen Ausführungsvariante ein wendelgewellter mit einem ringgewellten Balg kombiniert ist. In beiden Fällen hat eine torsionale Auslenkung an einem der beiden Enden der Anordnung zur Folge, daß sich die Verbindungsstelle zwischen den Bälgen aufgrund der Umsetzung der Dreh- in eine Axialbewegung eines wendelgewellten Balges transla­ torisch verschiebt, wobei das der Einleitung der torsio­ nalen Bewegung entgegengesetzte Ende der Anordnung in Ruhe bleibt. Um beispielsweise die torsionsinduzierte Längenerhöhung eines wendelgewellten Balges mittels der Längenverkürzung eines weiteren in Serie angeordneten wendelgewellten Balges zu kompensieren, ist es insbeson­ dere zweckmäßig, wendelgewellte Bälge mit gegensinniger Gewindesteigung, aber gleicher Steigungshöhe hintereinan­ der angeordnet zu einem Leitungselement zu kombinieren. Dadurch wird beispielsweise eine torsionsinduzierte Stauchung des einen wendelgewellten Balges durch die Längung des zweiten Balges kompensiert, und eine am einen Balg angreifende Torsionsbelastung wird nicht in uner­ wünschter Weise in Form einer translatorischen Belastung weitergeleitet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Leitungselements sieht eine Parallelanordnung ineinander angeordneter Bälge vor, von denen wenigstens einer wendelgewellt ist und die vorzugsweise im Bereich jeweils eines ihrer Anschlußenden, beispielsweise durch Schweißen, miteinander verbunden sind. Hierbei ist bei­ spielsweise das eine Anschlußende des inneren Balges mit dem einen Anschlußende des äußeren Balges und das andere innenseitig des Leitungselements angeordnete Anschlußende des inneren Balges mit dem einen Ende eines im wesentli­ chen starren Rohrelements fest verbunden, wobei das andere Ende des innenseitig des inneren Balges angeordne­ ten Rohrelements als das eine zylindrische Anschlußende des Leitungselements und das andere Anschlußende des äußeren Balges als das andere zylindrische Anschlußende des Leitungselements dient. Ähnlich wie bei der Hinter­ einanderanordnung der Bälge hat eine torsionale Auslen­ kung an einem der beiden Enden der Parallelanordnung zur Folge, daß sich die Verbindungsstelle zwischen den Bälgen aufgrund der Umsetzung der Dreh- in eine Axialbewegung eines wendelgewellten Balges translatorisch verschiebt, wobei das der Einleitung der torsionalen Bewegung entge­ gengesetzte Ende der Anordnung in Ruhe bleibt.

Werden die Durchmesser der ineinander angeordneten Bälge so gewählt, daß der Innendurchmesser des äußeren Balges größer als der Außendurchmesser des inneren Balges ist, so ist es nur zweckmäßig, jeweils wendelgewellte Bälge mit gleicher Gewindeanzahl und gleichsinniger Steigung miteinander zu kombinieren, so daß die Bälge aneinander anliegen. Durch die Reibung der sich berührenden wendel­ gewellten Bälge läßt sich mit dieser Anordnung eine höhere Torsionssteifigkeit des Leitungselements erzielen.

Obwohl die wendelgewellten Bälge grundsätzlich eingängig ausgebildet sein können, kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen sein, daß der bzw. die wendelge­ wellten Bälge mehrgängig ausgebildet sind.

Nachstehend sind verschiedene Ausführungsformen der Anordnung von Bälgen eines erfindungsgemäßen Leitungsele­ ments unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Leitungselement mit einer Hintereinanderanordnung zweier wendelgewellter Bälge gegen­ sinniger Gewindesteigung;

Fig. 2 ein Leitungselement mit einer Hinter­ einanderanordnung eines wendelgewell­ ten und eines ringgewellten Balges;

Fig. 3 ein Leitungselement mit einer Paral­ lelanordnung zweier wendelgewellter Bälge mit großem Durchmesserunter­ schied; und

Fig. 4 ein Leitungselement mit einer Paral­ lelanordnung zweier wendelgewellter Bälge mit kleinem Durchmesserunter­ schied.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Leitungselement mit einer Hintereinanderanordnung zweier wendelgewellter Bälge 1, 1a mit zylindrischen Anschlußenden 4a, 4b, 3a, 3b. Diese sind hier im Bereich ihrer Anschlußenden 4b, 3a miteinander verbunden, wie über eine Schweißnaht 5, wobei das Leitungselement auch einstückig ausgebildet sein könnte. Die Bälge 1, 1a haben eine gegensinnige, aber in etwa gleichgroße Gewindesteigung h.

Eine auf einen wendelgewellten Balg wirkende Torsionsbe­ wegung wird in eine Längenänderung umsetzt, wobei die den Balg in seine Ruheposition zwingende Rückstellkraft proportional zu dessen Längenänderung und damit zu dessen Torsion ist.

Wird nun beispielsweise das Anschlußende 4a des Balges 1 tordiert, so verschiebt sich die Verbindungsstelle 5 der Bälge translatorisch in axialer Richtung, da der wendel­ gewellte Balg 1 die Torsionsbewegung in eine Längenände­ rung umsetzt. Zur Kompensierung dieser Längenänderung, beispielsweise einer Stauchung, dehnt sich der wendelge­ wellte Balg 1a gegensinniger Gewindesteigung, so daß das Anschlußende 3b des Leitungselements sich axial nicht bewegt und damit keine Kopplung von Torsionsbewegungen mit translatorischen Bewegungen in axialer Richtung des Leitungselements stattfindet. Bei einer derartigen Anord­ nung zweier wendelgewellter Bälge 1, 1a entspricht die Stauchung des einen Balges der Verlängerung des anderen Balges, wobei sich die Verbindungsstelle 5 der Bälge verdreht, das der Einleitung der Torsionsbewegung entge­ gengesetzte Anschlußende des Leitungselements aber in Ruhe bleibt.

In der Fig. 2 ist ein Leitungselement mit Hintereinander­ anordnungen zweier über eine Schweißnaht 5 im Bereich ihrer zylindrischen Anschlußenden 4b, 6a fest miteinander verbundener Bälge eines flexiblen, tordierbaren Leitungs­ elements gezeigt, wobei ein wendelgewellter Balg 1 mit einem ringgewellten Balg 2 kombiniert ist. In diesem Fall wird bei der Torsion eines Anschlußendes des Leitungsele­ ments der wendelgewellte Balg 1 beispielsweise gestaucht, wobei sich der ringgewellte Balg 2 entsprechend dehnt, so daß zwar keine Kopplung von Torsionsbewegungen mit trans­ latorischen Bewegungen in axialer Richtung des Leitungs­ elements stattfindet, aber zumindest ein Teil der am einen Anschlußende des Leitungselements angreifenden Torsionsbelastung weitergeleitet wird.

In den Fig. 3 und 4 sind Leitungselemente mit koaxialen Parallelanordnungen zweier wendelgewellter Bälge 1, 1c (Fig. 3) bzw. 1, 1d (Fig. 4) unterschiedlichen Durchmes­ sers mit gleichsinniger und im wesentlichen gleichgroßer Gewindesteigung h gezeigt; die Bälge sind also ineinander gesteckt. Das Anschlußende 4a des äußeren Balges 1 dient als das eine zylindrische Anschlußende eines derart aufgebauten Leitungselements, und ein dem Anschlußende 4a des äußeren Balges 1 fernes Ende 7b eines koaxial sich durch den inneren Balg 1c, 1d hindurch erstreckenden Rohrelements 7 dient als das andere zylindrische An­ schlußende 4a des Leitungselements. Das dem Anschlußende nahe Ende 7a des Rohrelements 7 ist über eine Schweißnaht 9 mit dem dem Anschlußende 4a des äußeren Balges 1 nahen Ende 3a des inneren Balges 1c, 1d fest verbunden.

Das ferne Anschlußende 3b des inneren Balges 1c ist, wie in Fig. 3 gezeigt, über ein Verbindungselement, bei­ spielsweise einen Metallring 8, mittels Schweißnähten 5 fest mit dem anderen Anschlußende 4b des äußeren Balges 1 verbunden. Der Innendurchmesser des äußeren Balges 1 ist größer als der Außendurchmesser des inneren Balges 1c.

Nach der Ausgestaltung der Fig. 4 ist der Innendurchmes­ ser des äußeren Balges 1 kleiner als der Außendurchmesser des inneren Balges 1d, wobei die Balgwendeln ineinander­ greifen. In diesem Fall kann das zylindrische Anschluß­ ende 3b des inneren Balges 1d auch direkt, beispielsweise über Schweißnähte 5, am Anschlußende 4b des äußeren Balges 1 festgelegt sein.

Wird nun z. B. das Anschlußende 4a des äußeren Balges 1 tordiert, so verschiebt sich die Verbindungsstelle 5 der Bälge translatorisch in axialer Richtung, da der wendel­ gewellte Balg 1 die Torsionsbewegung in eine Längenände­ rung, beispielsweise in eine Stauchung, umsetzt. Zur Kompensierung dieser Stauchung dehnt sich der innere Balg 1c (Fig. 1) bzw. 1d (Fig. 2) gleichsinniger Gewindestei­ gung, so daß sich lediglich die Verbindungsstelle 5 der Bälge, aber nicht das Anschlußende 7b des Leitungsele­ ments axial und torsional bewegt und damit keine Kopplung von Torsionsbewegungen mit translatorischen Bewegungen in axialer Richtung auf das Leitungsende 7b wirkt.

Während die in Fig. 4 gezeigte Anordnung aufgrund der bei einer Relativbewegung der Bälge 1, 1d auftretenden Rei­ bung eine höhere Torsionssteifigkeit aufweist, verhält sich die in Fig. 3 gezeigte Anordnung torsionsweicher, wobei in diesem Fall auch einer der Bälge 1, 1c als ringgewellter Balg ausgebildet sein kann.

Claims (13)

1. Flexibles Leitungselement, insbesondere für Abgas­ leitungen von Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeu­ gen, gekennzeichnet durch wenigstens zwei mit zylin­ drischen Anschlußenden versehene und miteinander verbundene Bälge aus Metall, wobei wenigstens einer der Bälge ein wendelgewellter Balg (1) ist.

2. Leitungselement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch genau zwei Bälge.

3. Leitungselement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bälge (1, 1a bzw. 1, 2) hinterein­ ander angeordnet sind.

4. Leitungselement nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der eine Balg (1) wendelgewellt und der andere Balg (2) ringgewellt ist.

5. Leitungselement nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Bälge (1, 1a) wendelgewellt sind und ein Gewinde mit gegensinniger Steigung aufwei­ sen.

6. Leitungselement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bälge ineinander angeordnet und im Bereich jeweils eines ihrer zylindrischen Anschluß enden (3b, 4b) miteinander verbunden sind.

7. Leitungselement nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das eine Anschlußende (3b) des inneren Balges (1c bzw. 1d) mit dem einen Anschlußende (4b) des äußeren Balges (1) und das andere, innenseitig des Leitungselements angeordnete Anschlußende (3a) des inneren Balges (1c bzw. 1d) mit dem einen Ende (7a) eines im wesentlichen starren Rohrelements (7) fest verbunden ist, wobei das andere Ende (7b) des innenseitig des inneren Balges (1c bzw. 1d) angeord­ neten Rohrelements (7) als das eine zylindrische Anschlußende des Leitungselements und das andere Anschlußende (4a) des äußeren Balges (1) als das andere zylindrische Anschlußende des Leitungsele­ ments dient.

8. Leitungselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Bälge (1, 1c bzw. 1, 1d) wendelgewellt sind und ein Gewinde mit gleichsinni­ ger Steigung aufweisen.

9. Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Bälge die gleiche Steigungshöhe h aufweisen.

10. Leitungselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Balg wendelgewellt und der andere Balg ringgewellt ist.

11. Leitungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des äußeren Balges (1) größer als der Außendurchmesser des inneren Balges (1c) ist.

12. Leitungselement nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innendurchmesser des äußeren Balges (1) kleiner als der Außendurchmesser des inneren Balges (1d) ist.

13. Leitungselement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die wen­ delgewellten Bälge mehrgängig ausgeführt sind.