DE20012764U1 - Sealing connection for large temperature and pressure changes - Google Patents
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Description
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Artur Baumann 11.7.2000Arthur Baumann 11.7.2000
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78554 Aldingen-Aixheim78554 Aldingen-Aixheim
Damit Dichtverbindungen bestehend aus einem Stutzen, einem Schlauch und einem Spannelement ( Schlauchchelle, Spannband etc.), welche hoch thermisch, druck oder druckwechsel belastet sind (Bsp. Nutzfahrzeug-Ladeluftverbindung vom Turbolader zum Ladeluftkühler), in unterschiedlichsten Betriebszuständen dauerhaft dicht bleiben, ist es erforderlich, die auf den Schlauch wirkende Spannkraft ( = Dichtkraft) in jedem Betriebszustand den Erfordernissen entsprechend anzupassen.In order for sealing connections consisting of a nozzle, a hose and a clamping element (hose clamp, clamping band, etc.), which are subject to high thermal, pressure or pressure change loads (e.g. commercial vehicle charge air connection from the turbocharger to the intercooler), to remain permanently tight in a wide variety of operating conditions, it is necessary to adapt the clamping force (= sealing force) acting on the hose to the requirements in each operating condition.
Speziell im Nutzfahrzeug - Ladeluftbereich sind Lösungen im Einsatz bestehend aus Aluminiumstutzen mit Sicken, fur Hochtemperatur ausgelegte Silikonschläuche sowie Schlauchbänder in verschiedenen starren Ausfuhrungen, verstellbaren Ausführungen und mechanisch gefederten Ausfuhrungen. Die gefederten Ausführungen sollen die Schlauchbelastung verursacht durch große thermisch bedingte Ausdehnung des Stutzens reduzieren. Bekannt sind hier Ausfuhrungen mit Tellerfedern unter der Spannschraube der Schneckengewinde- oder Spannschellen, unter das Spannband eingelegte „Federbügel" oder wellförmig geprägte Metalleinlagen. Auch bekannt sind starre Kupplungen, Schnellkupplungen oder verpresste Anschlüsse fur V-Bandschellen. Especially in the commercial vehicle charge air sector, solutions are used consisting of aluminum connectors with beads, silicone hoses designed for high temperatures and hose bands in various rigid designs, adjustable designs and mechanically sprung designs. The sprung designs are intended to reduce the hose load caused by large thermally induced expansion of the connector. Well-known designs here are designs with disc springs under the tensioning screw of the worm thread or tension clamps, "spring clips" inserted under the tension band or corrugated metal inserts. Also well-known are rigid couplings, quick couplings or pressed connections for V-band clamps.
Bei den gefederten Systemen findet die „Ausgleichsfiinktion" durch mechanische Einrichtungen am Spannband statt.In the spring-loaded systems, the "compensation function" takes place through mechanical devices on the tensioning strap.
Alle bekannten Systeme fuhren zu einer großen Spannkrafterhöhung auf dem Schlauch bei Erwärmung.All known systems lead to a large increase in clamping force on the hose when heated.
Auch die gefederten Systeme erhöhen ihre Spannkraft dadurch, daß sie Weg freigeben. Meist reicht auch ihr Federweg nicht aus, so daß sie schon vor Erwärmungsmaximum auf Block gehen.The spring-loaded systems also increase their tension by releasing travel. In most cases, their spring travel is not sufficient, so that they lock up before they reach their maximum temperature.
Das starre Spannband berücksichtigt den Umstand, daß es dem sich ausdehnenden Stutzen, der in der Größenordnung von ca. 2 heißer wird als das Spannband, Raum für Ausdehnung freigeben muß, um erhöhte Schlauchbelastung zu vermeiden, überhaupt nicht, das mechanisch gefederte Spannband nur gedämpft mit Spannkrafterhöhung.The rigid clamping band does not take into account the fact that it has to make room for the expanding nozzle, which becomes approximately 2 times hotter than the clamping band, to expand in order to avoid increased hose stress. The mechanically spring-loaded clamping band only dampens this by increasing the clamping force.
Deswegen wird beim Stand der Technik soweit vorgespannt, daß nach mehrmaligen Heiß-Kaltzyklen anschließend im kalten Zustand noch genügend Spannkraft für Dichtheit übrigbleibt.Therefore, the current state of the art pre-tensions the material to such an extent that, after several hot-cold cycles, there is still enough tension left in the cold state to ensure a tight seal.
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Gebrauchsmuster Dichtverbindung, Artur Baumann, Juni 2000Utility model sealing connection, Artur Baumann, June 2000
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Nimmt man die Vorspannkraft der starren und mechanisch gefederten Schellen mit 100 % an, fallt die Spannkraft der Dichtverbindung mit starrer Schelle bei Referenztemperatur 200C auf 30-50 % des Ursprungswerts ab, die der mechanisch gefederten auf ca. 40-60 %. Aufgrund der hohen erforderlichen Anfangsspannkraft wird der Schlauch sehr stark verpresst, der Druckverformungsrest ist sehr klein .Das ganze System reagiert quasi starr, nach Erwärmung mit riesigen Dichtkräften bei +2500C, nach Abkühlung nahezu lose bei-400C (siehe Dia 3).If the pre-tensioning force of the rigid and mechanically spring-loaded clamps is assumed to be 100%, the tensioning force of the sealing connection with a rigid clamp drops to 30-50% of the original value at a reference temperature of 20 0 C, and that of the mechanically spring-loaded clamp to around 40-60%. Due to the high initial tensioning force required, the hose is compressed very strongly and the compression set is very small. The entire system reacts almost rigidly, after heating with enormous sealing forces at +250 0 C, and after cooling almost loosely at -40 0 C (see slide 3).
Ein elastisches Verhalten des Schlauchs ist hierbei kaum noch möglich.It is hardly possible for the hose to behave elastically.
Fertigungstechnisch bedingte Uneben- Unrundheiten der Stutzen oder Gießfugen mit Versatz können durch die stabilen Spannschellen in Kombination mit den dünnwandigen Schläuchen (3-4 mm), die zur Versteifung noch bis zu 3 Gewebelagen enthalten, oft nicht dauerhaft überbrückt werden, was wiederkehrend zu sporadischen, schwer nachvollziehbaren Fahrzeugausfällen führt.Unevenness or out-of-roundness of the nozzles or casting joints with offset due to manufacturing technology often cannot be permanently bridged by the stable clamps in combination with the thin-walled hoses (3-4 mm), which contain up to 3 layers of fabric for stiffening, which repeatedly leads to sporadic, difficult to trace vehicle failures.
Im Bereich kleiner -200C verhalten sich alle bekannten Systeme problematisch und sind zumeist undicht.In the range below -20 0 C, all known systems behave problematically and are mostly leaky.
Die Gleichmäßigkeit der Umfangsdichtkraft wird durch keines der Systeme ausreichend gewährleistet. Sie alle weisen Relativbewegung (Raffeffekte) zwischen Federschelle und Schlauch dadurch au£ daß sich die Ausgleichseinrichtung nur an einer Stelle des Umfangs befindet, oder Kraftsprünge dadurch, daß sich Ausgleichseinrichtungen am Schlauchumfang abstützen.The uniformity of the circumferential sealing force is not adequately guaranteed by any of the systems. They all exhibit relative movement (gathering effects) between the spring clamp and the hose because the compensating device is only located at one point on the circumference, or force jumps because the compensating devices are supported on the hose circumference.
Der Stand der Technik stellt keine ausreichende Sicherheit gemäß heute üblicher QS-Standards dar.The state of the art does not provide sufficient security according to current QA standards.
Aufgabe der Erfindung ist, die Dichtverbindung im Ladelufttemperaturbereich von -400C bis +2500C sicher dicht zu halten.The object of the invention is to keep the sealing connection reliably tight in the charge air temperature range from -40 0 C to +250 0 C.
Hierzu ist es notwendig, daß die Schlauchbelastung möglichst gering und über den gesamten Temperaturbereich möglichst gleichmäßig ist.To achieve this, it is necessary that the hose load is as low as possible and as uniform as possible over the entire temperature range.
Die Montagekraft sollte nur unwesentlich höher als die Dichtkraft im BetriebThe assembly force should only be slightly higher than the sealing force during operation
Aufgabe des neuen Systems muß sein, mit wesentlich geringeren Vorspannkräften auszukommen, die elastischen Verformungsanteile des Schlauchs im Betrieb auf Dauer zu nutzen, den Druckverformungsrest besonders groß zu halten und Eigenschaften des Schlauchs im heißen Zustand wie z. B.The task of the new system must be to manage with significantly lower pre-tensioning forces, to use the elastic deformation components of the hose during operation over the long term, to keep the compression set particularly large and to maintain properties of the hose in the hot state, such as
verbesserte Adhäsion mit zu nutzen.improved adhesion.
Das System muß den Ausgleich von Unrundheiten mit einbeziehen.The system must take into account the compensation of out-of-roundness.
Die Gleichmäßigkeit der Spannkraft (Polarkrafthomogenität) muß bei jeder Temperatur gewährleistet sein.The uniformity of the clamping force (polar force homogeneity) must be guaranteed at every temperature.
Montagefehler müssen ausgeschlossen werden können.Installation errors must be excluded.
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. # Gebrauchsmuster Dichtverbindung, Artur Baumann, Juni 2000. # Utility model sealing connection, Artur Baumann, June 2000
Diese Aufgabe wird durch eine VorricHtung mitten* Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a device having the features of claim 1.
Die „ Ausgleichsfunktion" (siehe Dial) wird nicht erbracht durch eine mechanische Einrichtung am Spannband, sondern durch ein unter dem in der Regel starren Spannband befindliches „elastomeres Federelement".The "compensating function" (see Dial) is not provided by a mechanical device on the tensioning band, but by an "elastomer spring element" located under the usually rigid tensioning band.
Die Ausdehnung des Stutzens bei Temperaturerhöhung geht einher mit dem „Zurückweichen" des Federelements durch temperaturbedingte höhere Nachgiebigkeit. Das Federelement weicht in bestehende Hohlräume zwischen Spannelement und Federelement oder bestehende Hohlräume zwischen Schlauch und Federelement oder seitlich zwischen Spannelement und Schlauch aus. Hierbei sind Schlauch und Federelement als federnde Einheit zu betrachten.The expansion of the nozzle when the temperature increases is accompanied by the "retraction" of the spring element due to the temperature-related increased flexibility. The spring element moves into existing cavities between the clamping element and the spring element or existing cavities between the hose and the spring element or laterally between the clamping element and the hose. In this case, the hose and the spring element are to be considered as a springy unit.
Die Spannkraft zwischen Stutzen und Schlauch bleibt nahezu konstant (siehe Dia 2 und 3).The clamping force between the nozzle and the hose remains almost constant (see slides 2 and 3).
Die für Federung zur Verfugung stehende Querschnittsfläche zwischen Stutzen und Spannelement, welche durch Schlauch und Federelement ausgefüllt wird, ist sehr groß, ca. 10 % des Stutzenaussendurchmessers, was sich ausgesprochen positiv aufs Gesamtsystem auswirkt.The cross-sectional area available for suspension between the nozzle and the clamping element, which is filled by the hose and spring element, is very large, approx. 10% of the nozzle's outer diameter, which has an extremely positive effect on the overall system.
Die derart dickwandige elastische Einheit ermöglicht in hohem Maße gleichmäßige Spannkräfte am Umfang auch bei Stutzenunrundheiten.Such a thick-walled elastic unit enables highly uniform clamping forces around the circumference even in the case of nozzle out-of-roundness.
Die Spannkräfte sind in jedem Temperaturzustand völlig homogen am Umfang.The clamping forces are completely homogeneous around the circumference in every temperature condition.
Eine dünnwandige Schelle ohne „Verstellmöglichkeit „ kann ausreichen, das gewünschte „Vorspannkraftfenster" im Rahmen der Fertigungstoleranzen der Komponenten Stutzen, Schlauch, Federelement und Spannelement aufrechtzuerhalten.A thin-walled clamp without "adjustment option" may be sufficient to maintain the desired "preload force window" within the manufacturing tolerances of the components nozzle, hose, spring element and clamping element.
Die Montagesicherheit ist hierdurch wesentlich erhöht, Ausfallrisiken im Betrieb durch falsch montierte Teile gegen Null reduziert.This significantly increases assembly safety and reduces the risk of failure during operation due to incorrectly assembled parts to almost zero.
Die Montagevorspannkraft kann erheblich reduziert werden.The assembly preload force can be significantly reduced.
Zwischen keiner der Komponenten ist zur Funktion des Systems eine Relativbewegung erforderlich wie bei den mechanisch gefederten Varianten zwischen Schelle und Schlauch.No relative movement is required between any of the components for the system to function, as is the case with the mechanically spring-loaded variants between the clamp and the hose.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below.
Bei den im folgenden näher beschriebenen Figuren handelt es sich immer um Dichtverbindungen bestehend aus dem Stutzen (1), dem Schlauch (2), dem Federelement (3) und dem Spannelement (4).The figures described in more detail below always show sealing connections consisting of the nozzle (1), the hose (2), the spring element (3) and the clamping element (4).
Figur 1 beschreibt Variante 1 mit leicht V - förmigem Profil des SpannelementsFigure 1 describes variant 1 with a slightly V-shaped profile of the clamping element
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Gebrauchsmuster Dichtverbindung, Artur Baumann, Juni 2000Utility model sealing connection, Artur Baumann, June 2000
(4). Bei einem Profil dieser Art muß der Ausgleich von Unrundheiten von den elastomeren Komponenten (2) und (3) der Verbindung übernommen werden. Das Federelement (3) ist hier dargestellt als Verbund zweier Runddichtringe. Links die Ansicht mit kleinstem Stutzendurchmesser bei - 400C, rechts die Ansicht mit größtem Stutzendurchmesser bei +2500C. Die dargestellte Schelle wird mittels Maschinenschraube auf Endanschlag gezogen.(4). With a profile of this type, the compensation of out-of-roundness must be taken over by the elastomer components (2) and (3) of the connection. The spring element (3) is shown here as a combination of two O-rings. On the left is the view with the smallest nozzle diameter at - 40 0 C, on the right is the view with the largest nozzle diameter at +250 0 C. The clamp shown is tightened to the end stop using a machine screw.
Beim elastischen Federring kann es sich ebenso um ein einstückiges Formteil wie in Figur la geschnitten dargestellt handeln. Die hohle Form ermöglicht das Verdrängen des Schlauchmaterials auch nach innen, was der Verbindung "" insgesamt zugute kommt.The elastic spring ring can also be a one-piece molded part as shown in Figure la. The hollow shape enables the hose material to be displaced inwards, which benefits the connection "" as a whole.
Figur Ib zeigt im Schnitt eine Federelementvariante mit zur Verstärkung eingebrachter Gewebeeinlage.Figure Ib shows a cross-section of a spring element variant with a fabric insert for reinforcement.
Figur 2 zeigt Variante 2 im Schnitt. Das Spannband ist ein flaches Band ohne Kontur und dadurch in Bezug auf Stutzenunrundheiten sehr flexibel, das Federelement durch Formpilze einstückig mit dem Spannelement verbunden. Genauso ist es aber auch möglich, daß ähnlich der Figur 2 der Schlauch (2) und das Federelement (3) durch Klebung, Vulcanisierung oder chemische Verbindung miteinander verbunden sind.Figure 2 shows variant 2 in section. The clamping band is a flat band without contour and is therefore very flexible with regard to nozzle irregularities, the spring element is connected to the clamping element in one piece by molded mushrooms. However, it is also possible that, similar to Figure 2, the hose (2) and the spring element (3) are connected to one another by gluing, vulcanization or chemical bonding.
Links dargestellt im Schnitt die Ansicht mit kleinstem Stutzendurchmesser bei - 400C, rechts geschnitten die Ansicht mit größtem Stutzendurchmesser bei +2500C.On the left, the section shows the view with the smallest nozzle diameter at - 40 0 C, on the right, the section shows the view with the largest nozzle diameter at +250 0 C.
Figur 2 a zeigt die Vorrichtung von Figur 2 in Seitenansicht. Sie zeigt ein Federelement mit schräger überlappender Stoßfuge, einer Möglichkeit, wie Komponententoleranzen bei offenen Federelementen mit Stoß durch die Art der Stoßfuge ausgeglichen werden können.Figure 2a shows the device of Figure 2 in side view. It shows a spring element with an oblique overlapping butt joint, one way in which component tolerances in open spring elements with a butt can be compensated by the type of butt joint.
Figur 3 zeigt die einstückige Verbindung von Schlauch (2) mit Federelement (3). Ausser über die Materialkonsistenz kann hier auch mit * gekennzeichnet über die Art und Lage von Gewebeeinlagen das Federverhalten gesteuert werden.Figure 3 shows the one-piece connection of hose (2) with spring element (3). In addition to the material consistency, the spring behavior can also be controlled by the type and position of fabric inserts marked with *.
Durch das formschlüssige Anclipsen des Spannelements wird die Verbindung zur fertig auf den Stutzen aufschiebbaren Baugruppe.By clipping the clamping element into place, the connection becomes a ready-to-use assembly that can be pushed onto the nozzle.
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Legal Events
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Effective date: 20010111 |
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