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Die vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, vorzugsweise einen Metallbalg, höchst vorzugsweise als Entkoppelelement im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor oder in motornahen Leitungen, wie einer EGR-Leitung.
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Derartige Leitungselemente sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt und werden in Druck- sowie Abgasanwendungen als so genannte Entkoppelelemente verwendet.
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Im Zuge der genannten Abgasanwendungen, insbesondere in Verbindung mit einer Verbrennungskraftmaschine, werden die genannten Leitungselemente zu komplexförmigen Schwingungen angeregt. Beispielsweise erzeugt ein Verbrennungsmotor Schwingungen mit variablem Anregungsspektrum im Kilohertz-Bereich, wodurch sich im Leitungselement Schwingungsresonanzen ausbilden bzw. ausbreiten können, welche das Leitungselement zerstören können.
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Vorbekannte Leitungselemente der genannten Art sind zur Bedämpfung von Schwingungen mit lokal auf der Außenseite des Balgs (Leitungselements) aufliegender Außenkomponenten (Gewebe oder Gestricke) ausgestattet. Deren Anbindung ist relativ aufwändig, außerdem führt die lokale Wechselwirkung von Leitungselement und Außenkomponente zu Verschleiß am Leitungselement selbst und an der Außenkomponente, was die Lebensdauer der Anordnung begrenzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Leitungselement der eingangs genannten Art, welches sich als Entkoppelelement für Abgasanwendungen eignen soll, dahingehend weiterzuentwickeln, dass trotz Verzicht auf eine Außenkomponente angeregte Schwingungsmoden bedämpft werden, so dass sich keine Resonanzschwingungen einstellen bzw. ausbreiten können, um so eine vereinfachte Ausgestaltung und eine verlängerte Lebensdauer des Leitungselements zu erreichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein flexibles Leitungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Grundidee sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um Textwiederholungen nach Möglichkeit zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist ein flexibles Leitungselement, vorzugsweise Metallbalg, höchst vorzugsweise als Entkoppelelement im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor oder in motornahen Leitungen, wie EGR-Leitungen, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Leitungselement einen mehrlagigen Aufbau mit aufeinander liegenden Lagen aufweist, wobei wenigstens eine der Lagen zumindest bereichweise aufgeschnitten ist, und wobei wenigstens eine andere der Lagen fluiddicht ausgebildet ist.
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Das flexible Leitungselement besteht also erfindungsgemäß aus mindestens zwei aufeinander liegenden Lagen, von denen eine Lage fluiddicht ist. Da wenigstens eine der Lagen zumindest bereichsweise aufgeschnitten ist, wobei der Schnitt vorzugsweise mittels Laser erfolgt, können definierte Bereiche partiell in ihrer lokalen Steifigkeit verändert werden, so dass auftretende Schwingungen durch die jeweils andere, gegenüberliegende Lage bedämpft werden. Allgemein ausgedrückt, entsteht so ein wenigstens zweilagiges flexibles Leitungselement, welches bereichsweise inhomogen ausgebildet ist, um auf diese Weise das Auftreten zerstörerischer Schwingungsmodi wirksam zu verhindern. Vorzugsweise ist das flexible Leitungselement genau zweilagig ausgebildet, wobei die innere Lage fluiddicht und die äußere Lage aufgeschnitten ist.
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Insbesondere bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen flexiblen Leitungselements als Entkoppelelement im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors lässt sich auf diese Weise verhindern, dass aufgrund des vorhandenen variablen Anregungsspektrums das Leitungselement bei seinen Resonanzen zum Schwingen angeregt und aufgrund der auftretenden hohen Schwingungsamplituden beschädigt wird. Das erfindungsgemäße Aufschneiden wenigstens einer der Lagen des Leitungselements wirkt derartigen Beschädigungen durch die erreichbare Dämpfungswirkung effektiv entgegen.
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Die Dämpfungswirkung ist insbesondere bei höherfrequenten Resonanzen gut. Deshalb eignet sich das erfindungsgemäße Leitungselement auch für den Einsatz in motornahen Leitungen, wie einer EGR-Leitung (Abgasrückführleitung). Gerade dort treten – bedingt durch unterschiedliche mechanische Anregung seitens des Motors – bei herkömmlichen flexiblen Leitungselementen (Bälgen) Probleme mit Eigenresonanzen auf.
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Im Zuge einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen flexiblen Leitungselements kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Lage gemäß einem vorzugsweise regelmäßigen Schnittmuster aufgeschnitten ist. Als (regelmäßiges) Schnittmuster kommen im Rahmen einer anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Wellenmuster, ein Ω-Wellenmuster, ein Dreieckmuster, ein Sägezahnmuster und/oder ein Muster mit einer vorzugsweise regelmäßigen Anordnung von geschlossenen Formen, vorzugsweise Polygonen, höchst vorzugsweise Quadraten, in Betracht, ohne dass die Erfindung auf bestimmte Muster beschränkt wäre.
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Im Rahmen einer wieder anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Lage im Wesentlichen über ihre gesamte Lagendicke durchgängig aufgeschnitten ist. Es ist jedoch auch möglich, die wenigstens eine Lage nur über einen Teilbereich ihrer Lagendicke aufzuschneiden.
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Im Zuge einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen flexiblen Leistungselements kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Lage im Wesentlichen über den gesamten Umfang des Leitungselements durchgängig bzw. umlaufend aufgeschnitten ist. Auch in diesem Zusammenhang ist es jedoch alternativ möglich, die wenigstens eine Lage nur über einen Teilbereich des Umfangs des Leitungselements aufzuschneiden.
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Eine äußerst bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen flexiblen Leitungselements sieht vor, dass mehrere Lagen aufgeschnitten sind, wobei diese Lagen mit ihrem aufgeschnittenen Bereich in wenigstens einem Überlappungsbereich einander in axialer Richtung überlappen können. Auf diese Weise lässt sich in bestimmten Bereichen (Überlappungsbereichen) eine besonders hohe Dämpfungswirkung erzielen.
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Um bestimmte bekannte Resonanzen des flexiblen Leitungselements gezielt bedämpfen zu können, kann im Rahmen einer wieder anderen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Lage in einem Schwingungsresonanzbereich des Leitungselements aufgeschnitten ist.
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Das flexible Leitungselement kann insgesamt derart ausgestaltet sein, dass das Aufschneiden vor einer Formung des flexiblen Leitungselements, vorzugsweise vor der Umformung zu einem Balg, erfolgt.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
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1 zeigt teilweise und im Längsschnitt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen flexiblen Leitungselements; und
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2a bis 2d zeigen mögliche Ausgestaltungen des Schnittmusters bei einem erfindungsgemäßen Leitungselement gemäß 1.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes flexibles Leitungselement 1, welches als Balg ausgebildet und teilweise im Längsschnitt dargestellt ist. Bezugszeichen L bezeichnet die Längsachse der Anordnung.
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Das Leitungselement 1 eignet sich insbesondere für eine Verwendung als Entkoppelelement für Abgasanwendungen, insbesondere in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor eines Kfz und vorzugsweise bei motornahen Leitungen. Es besitzt einen mehrlagigen Aufbau mit aufeinander liegenden Lagen, gemäß der exemplarischen Darstellung in 1 speziell einen zweilagigen Aufbau mit entsprechenden Lagen 2, 3, die sich in der Praxis direkt berühren. Die radial innen liegende (Balg-)Lage 2 wird nachfolgend auch als Innenlage bezeichnet, die äußere (Balg-)Lage 3 als Außenlage.
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Die äußere Lage 3 weist bei Bezugszeichen 4 bestimmte Bereiche auf, in denen sie aufgeschnitten ist, worauf weiter unten anhand der 3a bis d noch genauer eingegangen wird. In 1 sind die genannten Bereiche, in denen wenigstens eine der Lagen 2, 3 aufgeschnitten ausgebildet ist, schraffiert dargestellt. Es müssen nicht alle Bereiche 4 bei einem einzigen Leitungselement 1 aufgeschnitten sein. Vielmehr zeigt 1 grundsätzlich mögliche Aufschnittpositionen, die quasi beliebig kombiniert angeordnet sein können.
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Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn die aufgeschnittenen Bereiche 4 mit bekannten Resonanzstellen des flexiblen Leitungselements 1 im Anwendungsfall korrespondieren, um das Auftreten von zerstörerischen Resonanzschwingungen nach Möglichkeit zu vermeiden.
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Vorteilhafterweise werden die aufgeschnittenen Bereiche 4 bereits vor der Ausformung des Balgs aus einem glattzylindrischen Rohr ausgebildet und sind zu diesem Zweck in der Außenlage 3 angeordnet, damit die Balgherstellung aufgrund der fluiddichten Innenlage 2 in gewohnter Weise erfolgen kann.
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1 zeigt bei Bezugszeichen 4a einen aufgeschnittenen Bereich 4 der Außenlage 3, der im Bereich eines Wellenbergs des flexiblen Leitungselements angeordnet ist. Der aufgeschnittene Bereich 4 bei Bezugszeichen 4b befindet sich in einem Wellental des flexiblen Leitungselements 1. Bei Bezugszeichen 4c und 4d sind aufgeschnittene Bereiche 4 dargestellt, die sich jeweils in einem Übergangsbereich (Flankenbereich) des flexiblen Leitungselements 1 zwischen einem Wellenberg und einem Wellental befinden. Wie bereits erwähnt wurde, lassen sich Art und Größe der aufgeschnittenen Bereiche 4 quasi beliebig kombinieren. Wie der Fachmann erkennt, ist es auf diese Weise auch möglich, aufgeschnittene Bereiche auszubilden, die sich über quasi beliebige Abschnitte einer (räumlichen) Periode der Balgwellung erstrecken.
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Gemäß der Ausgestaltung der 1 wird also die Außenlage 3 des Balgs 1 definiert aufgeschnitten, so dass die außenliegende Lage 3 eine deutlich geringere Steifigkeit gegenüber der inneren Balglage 2 aufweist. Durch das somit mögliche Verstimmen von Resonanzen sowie die nur partielle Anlage der äußeren Lage 3 an der inneren Lage 2 zumindest in den aufgeschnittenen Bereichen 4 wird die innere Lage 2 wirksam bedämpft. Dies ist insbesondere bei auftretenden Schwingungen höherer Ordnung von Bedeutung, weil lokal auftretende Schwingungsmoden verstimmt und gezielt bedämpft werden können. Dieser Effekt ist insbesondere für eine Schwingungsanregung im Kilohertz-Bereich von Bedeutung. Für niederfrequentere Anregungen wirkt sich die erfindungsgemäß erreichbare unterschiedliche Steifigkeit der Balglagen günstig aus.
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Auf mögliche konkrete Ausgestaltungen des Aufschnitts wird – wie bereits angedeutet – weiter unten anhand der 2a bis 2d noch genauer eingegangen.
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Die 2a bis 2d zeigen detailliert, wie das Schnittmuster beim Aufschneiden der einzelnen Lagen 2, 3 des Leitungselements 1 ausgestaltet sein kann. Dabei ist es nicht erforderlich, dass in allen Bereichen 4 ein und dasselbe Schnittmuster verwendet wird. Auch die jeweilige Orientierung des Schnittmusters hängt vom konkreten Anwendungs- bzw. Realisierungsfall ab. Die genannten Schnittmuster sind in den 2a bis 2d als M1 bis M4 (Muster 1 bis Muster 4) bezeichnet.
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Bei Muster M1 gemäß 2a handelt es sich um ein Wellen-Schnittmuster aus parallelen Wellenzügen mit im Wesentlichen Ω-förmiger oder gestauchter Wellung. Muster M2 gemäß 2b ist ein Dreieck- oder Sägezahnmuster, ebenfalls mit einer Mehrzahl paralleler Schnittlinien. 2c zeigt ein Muster M3 mit einer Vielzahl paralleler, sinusartiger Wellenzüge. Das Muster M4 gemäß 2d besteht aus einer regelmäßig-flächigen Anordnung von quadratischen Schnittlinien. Die genannten Schnittlinien sind in den 2a bis 2d jeweils als durchgezogene Linien symbolisiert und je nach Muster 1 bis 4 mit Bezugszeichen 4.1 bis 4.4 bezeichnet.
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Die Schnittlinien 4.1 bis 4.4 können im Wesentlichen über den gesamten Umfang des Leitungselements 1 bzw. der betreffenden Lagen 2, 3 umlaufend ausgebildet sein. Allerdings ist es auch möglich, nur bestimmte Umfangsbereiche mit Schnittlinien 4.1 bis 4.4 zu versehen. Die Schnittlinien 4.1 bis 4.4 können die Lagen 2, 3 in ihrer jeweiligen Dicke vollständig oder nur teilweise durchschneiden. Es ist – wie gesagt – möglich, verschiedene Arten von Schnittlinien 4.1 bis 4.4 miteinander zu kombinieren, beispielsweise indem von Bereich zu Bereich (vgl. Bereiche 4 bzw. 4a–d in 1) und/oder von Lage zu Lage (Lagen 2, 3 in 1) abgewechselt und/oder beliebig gemischt wird.
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Die Schnittmuster M1 bis M4 bzw. die Schnittlinien 4.1 bis 4.4 können mittels Laserschnitt hergestellt sein.
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Wie der Fachmann erkennt, ist die Erfindung keinesfalls auf die exemplarischen Schnittmuster M1 bis M4 beschränkt.
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Vorzugsweise sind die Lagen 2, 3 des Leitungselements 1 in solchen Bereichen aufgeschnitten, in denen besonders ausgeprägte Schwingungen (Resonanzschwingungen) des flexiblen Leitungselements 1 zu erwarten sind, um diese gezielt zu bedämpfen.
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Die Erfindung ist nicht auf zweilagige Anordnungen bzw. das Aufschneiden nur einer bzw. nur der äußeren Lage beschränkt.
