DE19824095C2 - Flexibles Leitungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement, insbesondere für Abgasleitungen von Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen, mit wenigstens zwei ineinander angeordneten, mit zylindrischen Anschlußenden versehenen und miteinander verbundenen Bälgen aus Metall, wobei wenigstens einer der Bälge wendelgewellt ist.

Flexible Leitungselemente werden beispielsweise als Zwischenstücke in die Abgasleitung von Kraftfahrzeugen 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. Derartige Leistungselemente bestehen in der Regel aus einem wendelgewellten oder ringgewellten Balg aus Metall sowie weiteren Elementen, wie Leitungs- und/oder Tragelementen sowie Zusatzelementen zur Abstüt­ zung und/oder Erhöhung der Stabilität, z. B. Metallge­ stricken oder Dämpfungselementen, so daß bei Schwin­ gungsanregung im Bereich der Resonanzfrequenz des Balges Bewegungsüberhöhungen des letztgenannten, die zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer und in Wechselwirkung mit anderen Bauteilen zur Erzeugung von Geräuschen füh­ ren, 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 DE 195 33 627 C1 ist ein Axialkompensator zur Auf­ nahme von Rohrleitungsdehnungen mit einem wendel- oder ringgewellten Balg mit an beiden Enden angeordneten Anschlußteilen zur Verbindung mit weiterführenden Rohrlei­ tungen entnehmbar. An dem Kompensator ist ein den Balg umgebendes, gegen Axialverschiebung festgelegtes Knick­ schutzrohr angeordnet, welches zur Vereinfachung seiner Anbringung derart ausgebildet ist, daß es mit einem zwischen an den beiden axialen Enden gelegenen Abschnit­ ten seiner Längserstreckung wenigstens mittelbar form­ schlüssig mit mindestens einem Wellenteil des Balges in Eingriff ist. Der Kompensator kann zwei konzentrisch ineinander angeordnete Bälge mit jeweils einem in der vorstehenden Weise eingreifenden Knickschutzrohr haben, wobei die Bälge an ihren beiden Enden dicht miteinander und mit Anschlußenden verbunden sind. Durch die Anordnung zweier Bälge wird jedoch lediglich die Steifigkeit gegen­ über einer Ausgestaltung mit nur einem Balg vergrößert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Leitungselement der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches einerseits torsionsweich ist, so daß es bei Torsionsbeanspruchung diese nicht an benach­ barte Bauteile weiterleitet, und andererseits auch bei hohen Torsionsbelastungen nicht versagt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Leitungsele­ ment der eingangs genannten Art gelöst, welches durch zwei Bälge, wovon wenigstens einer wendelgewellt ist, die im Bereich jeweils nur eines ihrer Anschlußenden miteinander verbunden sind, gekennzeichnet 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 wenigstens 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 wenigstens einen wendelgewellten Balg mit einer hohen Anzahl von Gewindegängen hoher Gewinde­ steigung aufweisen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Leitungs­ elements, wonach jeweils zwei ineinander angeordnete Bälge nur an einem ihrer Enden verbunden sind, wird bei einer lediglich der Länge des Balges entsprechenden Gesamtlänge des Leitungselements die bei Torsionen wirk­ same Balglänge auf die beiden ineinander angeordneten Bälge erweitert, d. h. bei zwei Bälgen verdoppelt, wodurch bei gegebener, dem einen Balg entsprechender Gesamtlänge die Torsionsaufnahme ohne Schädigung der Bälge größer ist.

Da zur Entkopplung von in der Abgasleitung eines Kraft­ fahrzeuges 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.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Leitungselements mit einer Parallelanordnung inein­ ander angeordneter Bälge, von denen wenigstens einer wendelgewellt ist und die im Bereich jeweils eines ihrer Anschlußenden, beispielsweise durch Schweißen, miteinan­ der verbunden sind, ist vorgesehen, daß das eine An­ schlußende des ersten Balges mit dem einen Anschlußende des anderen Balges und das andere Anschlußende des ersten Balges mit dem einen Ende eines im wesentlichen starren Rohrelements fest verbunden ist, wobei das andere Ende des Rohrelements als das eine zylindrische Anschlußende des Leitungselements und das andere Anschlußende des anderen Balges als das andere zylindrische Anschlußende des Leitungselements dient.

Hierbei kann insbesondere das innenseitig des Leitungs­ elements angeordnete Anschlußende des inneren Balges mit dem einen Ende des Rohrelements fest verbunden sein, während das andere Ende des innenseitig des inneren Balges angeordneten Rohrlements als das eine zylindrische Anschlußende des Leitungselements dient.

Eine torsionale Auslenkung an einem der beiden Anschluß­ enden des erfindungsgemäßen Leitungselements hat somit zur Folge, daß sich die Verbindungsstelle zwischen den Bälgen aufgrund der Umsetzung der Dreh- in eine Axialbe­ wegung eines wendelgewellten Balges translatorisch ver­ schiebt, wobei das der Einleitung der torsionalen Bewe­ gung entgegengesetzte Ende der Anordnung in Ruhe bleibt. Um beispielsweise die torsionsinduzierte Längenerhöhung eines wendelgewellten Balges mittels der Längenverkürzung eines weiteren koaxial angeordneten, wendelgewellten Balges zu kompensieren, ist es insbesondere zweckmäßig, wendelgewellte Bälge mit gleichsinniger Gewindesteigung und gleicher Steigungshöhe ineinander angeordnet zu einem Leitungselement zu kombinieren. Dadurch wird beispiels­ weise eine torsionsinduzierte Stauchung des einen wendel­ gewellten Balges durch die Längung des zweiten Balges kompensiert, und eine am einen Balg angreifende Torsions­ belastung wird nicht in unerwünschter Weise in Form einer translatorischen Belastung weitergeleitet.

Werden die Durchmesser der ineinander angeordneten Bälge so gewählt, daß der Innendurchmesser des äußeren Balges kleiner 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.

Ist der Innendurchmesser des äußeren Balges hingegen größer als der Außendurchmesser des inneren Balges, so können sowohl zwei wendelgewellte Bälge mit gleicher oder verschiedener Gewindeanzahl als auch ein wendelgewellter Balg mit einem ringgewellten Balg kombiniert werden.

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 Leitungselement mit einer Paral­ lelanordnung zweier wendelgewellter Bälge mit großem Durchmesserunter­ schied und

Fig. 2 ein Leitungselement mit einer Paral­ lelanordnung zweier wendelgewellter Bälge mit kleinem Durchmesserunter­ schied.

In Fig. 1 und 2 sind Leitungselemente mit koaxialen Parallelanordnungen zweier wendelgewellter Bälge 1, 1c (Fig. 1) bzw. 1, 1d (Fig. 2) 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. 1 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 gemäß Fig. 2 ist der Innendurch­ messer des äußeren Balges 1 kleiner als der Außendurch­ messer des inneren Balges 1d, wobei die Balgwendeln ineinandergreifen. In diesem Fall kann das zylindrische Anschlußende 3b des inneren Balges 1d auch direkt, bei­ spielsweise 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. Eine auf den wendelgewellten Balg 1 wirkende Torsionsbewegung wird also in eine Längenänderung beider Bälge 1, 1c (Fig. 1) bzw. 1, 1d (Fig. 2) umgesetzt, wobei die die Bälge 1, 1c, 1d in ihre Ruheposition zwingende Rückstellkraft propor­ tional zu deren Längenänderung und damit zu deren Torsion ist.

Während die in Fig. 2 gezeigte Anordnung aufgrund der bei einer Relativbewegung der Bälge 1, 1d auftretenden Rei­ bung eine höhere Torsionssteifigkeit aufweist, verhält sich die in Fig. 1 gezeigte Anordnung torsionsweicher, wobei in diesem Fall auch einer der Bälge 1, 1c als ringgewellter Balg ausgebildet sein kann.

Claims (10)

1. Flexibles Leitungselement, insbesondere für Abgas­ leitungen von Verbrennungsmotoren bei Kraftfahr­ zeugen, mit wenigstens zwei ineinander angeordne­ ten, mit zylindrischen Anschlußenden versehenen und miteinander verbundenen Bälgen aus Metall, wobei wenigstens einer der Bälge wendelgewellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bälge (1, 1c bzw. 1, 1d), wovon wenigstens einer wendelgewellt ist, im Bereich jeweils nur eines Ihrer Anschlußenden (3b, 4b) miteinander verbunden sind.

2. Leitungselement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch genau zwei Bälge (1, 1c bzw. 1, 1d).

3. Leitungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Anschlußende (3b) des ersten Balges (1c bzw. 1d) mit dem einen Anschluß­ ende (4b) des anderen Balges (1) und das andere Anschlußende (3a) des ersten Balges (1c bzw. 1d) mit dem einen Ende (7a) eines im wesentlichen starren Rohrelements (7) fest verbunden ist, wobei das andere Ende (7b) des Rohrelements (7) als das eine zylindrische Anschlußende des Leitungselements und das andere Anschlußende (4a) des anderen Balges (1) als das andere zylindrische Anschlußende des Leitungselements dient.

4. Leitungselement nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das innenseitig des Leitungselements angeordnete Anschlußende (3b) des inneren Balges (1c bzw. 1d) mit dem einen Ende (7a) des Rohrele­ ments (7) fest verbunden ist, während das andere Ende (7b) des innenseitig des inneren Balges (1c bzw. 1d) angeordneten Rohrelements (7) als das eine zylindrische Anschlußende des Leitungselements dient.

5. Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Bälge (1, 1c bzw. 1, 1d) wendelgewellt sind und ein Gewinde mit gleichsinniger Steigung aufweisen.

6. Leitungselement nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Bälge (1, 1c bzw. 1, 1d) die gleiche Steigungshöhe h aufweisen.

7. Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Balg (1 bzw. 1c, 1d) wendelgewellt und der andere Balg ringge­ wellt ist.

8. Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des äußeren Balges (1) größer als der Außendurch­ messer des inneren Balges (1c) ist.

9. Leitungselement nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innendurchmesser des äußeren Balges (1) kleiner als der Außendurchmesser des inneren Balges (1d) ist.

10. Leitungselement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die wendelgewellten Bälge (1, 1c, 1d) mehrgängig ausge­ führt sind.