DE20302659U1

DE20302659U1 - Flexibles Leitungselement

Info

Publication number: DE20302659U1
Application number: DE20302659U
Authority: DE
Original assignee: Witzenmann GmbH
Current assignee: Witzenmann GmbH
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2013-02-20
Also published as: EP1576263B1; ATE331124T1; EP1576263A1; EP1576263B2; WO2004074651A1; DE502004000827D1

Abstract

Flexibles Leitungselement, insbesondere für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem schraubengangförmigen oder ringgewellten Metallbalg (1), mit einem koaxial innerhalb des Metallbalgs (1) angeordneten, schraubengangförmig gewickelten oder ringförmige Segmente aufweisenden Metallschlauch (2), dessen Außenquerschnitt kleiner als der lichte Innenquerschnitt des Metallbalgs (1) ist, mit mindestens einem zwischen dem Metallbalg (1) und dem Metallschlauch (2) angeordneten Abstandhalter (3) und mit einem den Metallbalg (1) außen zumindest bereichsweise umgebenden Außengestricke (4), dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Leitungselement so ausgestaltet ist, dass seine dynamische Transfersteifigkeit in Axialrichtung bei einer Anregungsamplitude von 0,1 mm und Raumtemperatur über einen Frequenzbereich der Anregungsschwingung von 80 Hz bis 140 Hz hinweg unter 50 N/mm liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement, insbesondere für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem schraubengangförmigen oder ringgewellten Metallbalg, mit einem koaxial innerhalb des Metallbalgs angeordneten, schraubengangförmig gewickelten oder ringförmige Segmente aufweisenden Metallschlauch, dessen Außenquerschnitt kleiner als der lichte Innenquerschnitt des Metallbalgs ist, mit mindestens einem zwischen dem Metallbalg und dem Metallschlauch angeordneten Abstandhalter und mit einem den Metallbalg außen zumindest bereichsweise umgebenden Außengestricke.
Solche flexiblen Leitungselemente werden in die Abgasleitungen von Kraftfahrzeugen eingesetzt, um einerseits Lastwechselbewegungen und Schlechtweganregungen des Motors von der am Fahrzeugboden befestigten Abgasanlage abzukoppeln sowie andererseits Motorschwingungen durch nicht ausgeglichene, freie Massenkräfte von der Abgasanlage und somit vom Fahrzeugboden zu entkoppeln. Die Bewegungen durch Lastwechsel und Schlechtweganregungen führen nicht zuletzt wegen der Schwingungseigenschaften des Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs zu Schwingungen mit einer Frequenz von 0 Hz bis etwa 20 Hz und relativ großen Amplituden, welche die Lebensdauer der Abgasanlage bzw. von deren Aufhängungen beeinträchtigen können. Die Motorschwingungen liegen bei Vierzylinder-Reihenmotoren, deren nutzbarer Drehzahlbereich typischerweise von 600 1/min (Leerlauf) bis 7500 1/min (Höchstdrehzahl) reicht, wegen der dominanten zweiten Motorordnung bei dieser Motorbauweise zwischen etwa 20 Hz und 250 Hz. Diese Schwingungen verursachen Brummgeräusche durch von schwingenden Bauteilen abgestrahlten Luftschall sowie störende Vibrationen im Fahrzeuginnenraum. Außerdem können die Eigenschwingungen der Abgasanlage angeregt werden, die wegen ihrer großen Amplituden Schäden verursachen.
Ein flexibles Leitungselement der Eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der WO 02/29302 A1 bekannt. Das dort beschriebene Leitungselement besteht aus einem Metallbalg, der außen mit einem Gestrickeschlauch umgeben ist, sowie einem koaxial innerhalb des Balges angeordneten Metallschlauch, der aus Agraffprofilen mit S-förmigem Querschnitt besteht und zur Strömungsführung sowie zum thermischen Schutz des Metallbalges gegen die heißen Abgase des Verbrennungsmotors dient. Zwischen dem Metallbalg und dem Agraffschlauch ist ein Abstandhalter angeordnet, der sich sowohl an der Innenseite des Metallbalgs als auch an der Außenseite des Agraffschlauchs in Anlage befindet, so dass der Agraffschlauch nicht gegen den Metallbalg schlagen kann. Darüber hinaus kann der Abstandhalter eine schwingungsdämpfende Wirkung aufweisen. Um eine erhöhte Beweglichkeit bei Lastwechselbewegungen und dergleichen bei gleichwohl guten Entkopplungseigenschaften für Motorschwingungen zu erzielen, ist in dieser Schrift vorgeschlagen worden, das Leitungselement so auszulegen, dass es eine Gesamtsteifigkeit von höchstens 5 N/mm aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Leitungselement der Eingangs genannten Art hinsichtlich seiner schwingungsentkoppelnden Eigenschaften weiter zu verbessern.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein flexibles Leitungselement mit den Merkmalen des beigefügten Schutzanspruches 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 9 niedergelegt.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass es nicht ausreicht, eine möglichst geringe Gesamtsteifigkeit des eingangs genannten flexiblen Leitungselementes zu wählen. Zwar ergibt sich hierdurch eine hohe Beweglichkeit des Leitungselementes bei einmaligen Auslenkungen – zumindest solange der Agraffschlauch die Bewegung nicht blockiert – jedoch muss dann insbesondere ein sehr weicher Metallbalg verwendet werden, der im Gegenzug in einem typischen Frequenzbereich zwischen 40 Hz und 80 Hz eine Eigenfrequenz aufweist. Denn das Verringern der Steifigkeit des Metallbalgs alleine durch Verlängerung des Leitungselementes ist in der typischen Einbausituation bei einem Kraftfahr zeug normalerweise nicht durchführbar. Um nun zu verhindern, dass sich insbesondere im Metallbalg Resonanzschwingungen ausbilden, müssen die dämpfenden Elemente, wie insbesondere das Außengestricke oder der Abstandhalter entsprechend schwingungsdämpfend dimensioniert werden. Dies wiederum erhöht die Gesamtsteifigkeit des Leitungselementes.
Aufgrund dieser verschiedenen zu beachtenden Randbedingungen in einem flexiblen Leitungselement der eingangs genannten Art kann es nach dem Stand der Technik also durchaus vorkommen, dass ein flexibles Leitungselement eine Gesamtsteifigkeit von unter 5 N/mm aufweist, dass es jedoch gleichzeitig Anregungsfrequenzen gibt, die im vor allem bei Vierzylinder-Reihenmotoren interessierenden Frequenzbereich Versteifungen verursachen, so dass bei einzelnen Motordrehzahlen verstärkt Vibrationen oder Brummgeräusche in den Innenraum des Kraftfahrzeuges gelangen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung gilt es daher, nicht eine statische Gesamtsteifigkeit des Leitungselementes zu optimieren, sondern das flexible Leitungselement so auszulegen, dass seine dynamische Transfersteifigkeit in Axialrichtung über einen Frequenzbereich der Anregungsschwingung von 80 Hz bis 140 Hz hinweg unter 50 N/mm liegt. Diese dynamische Transfersteifigkeit versteht sich bei einer Anregungsamplitude von 0,1 mm und Raumtemperatur; sie ist gemäß der Norm EN ISO 10846-1 definiert. Eine statische Vorlast ist nicht gegeben bzw. ist nur insofern gegeben, als das flexible Leitungselement in seiner Einbaulänge betrachtet wird. Um einen praktikablen Kompromiss zwischen dem Dimensionierungsaufwand für das Leitungselement und der gewollten dynamischen Transfersteifigkeit zu erzielen, kann das erfindungsgemäße flexible Leitungselement insbesondere dadurch definiert sein, dass die dynamische Transfersteifigkeit in Axialrichtung über einen Frequenzbereich der Anregungsschwingung von 20 bis 250 Hz, oder weiter bevorzugt von 0 bis 250 Hz unter 50 N/mm liegt.
Nur mit den erfindungsgemäß erkannten dynamischen Transfersteifigkeiten ist ein flexibles Leitungselement der Eingangs genannten Art in der Lage, in den insbesondere für einen Vierzylinder-Reihenmotor wichtigen Motorschwingungs-Frequenzbereichen diese Motorschwingungen von einer Weitergabe an die Abgasanlage und somit an die Karosserie des Kraftfahrzeuges zu entkoppeln. Ver breitet zu beobachtende Brummfrequenzen bei bestimmten Drehzahlen des Motors, die laufend durchfahren werden, gehören somit der Vergangenheit an.
Vorzugsweise ist der Innendurchmesser des Außengestrickes kleiner als der Außendurchmesser des Metallbalges. Dies führt zu einer festen Anlage des Außengestrickes am Metallbalg, wobei sich dessen Form innenseitig dem Metallbalg anpasst. Die Dämpfungswirkung des Außengestrickes insbesondere zur Unterdrückung von Resonanzschwingungen des Metallbalges wird hierdurch vorteilhaft verbessert.
Das erfindungsgemäße flexible Leitungselement kann, wie an sich bekannt, an seinen Enden jeweils eine das Außengestricke am jeweiligen Metallbalgende festlegende Endhülse aufweisen. Diese ist selbstverständlich dann auch so auszulegen, dass das gesamte Bauteil, inklusive Endhülsen, die erfindungsgemäßen Randbedingungen erfüllt.
Um die erfindungsgemäß geringe dynamische Transfersteifigkeit erzielen zu können, ist es zweckmäßig, den Metallbalg in einer Wandstärke von weniger als 0,2 mm auszubilden. Nach dem derzeitigen Stand der Technik bewegen sich die Wandstärken von entsprechenden Metallbälgen in einem Bereich von 0,2 mm bis 0,4 mm.
Wie ebenfalls an sich bekannt, kann der Abstandhalter aus einem Gestricke gebildet sein und insofern ebenfalls entscheidend zur Dämpfung des Metallbalgs und gegebenenfalls auch des Metallschlauchs beitragen. Gleichwohl kann er als Schlauch, als Schlauchabschnitt, als Helix oder als eine Mehrzahl von Streifen ausgebildet sein. Die Herstellungsart und die Formung des Abstandhalters hängt davon ab, welche Dämpfungseigenschaften damit erzielt oder auch vermieden werden sollen.
Besondere Vorteile ergeben sich im Rahmen der Erfindung, wenn der Metallschlauch so ausgebildet ist, dass die einzelnen Wicklungen oder die einzelnen ringförmigen Segmente zumindest in der Stauchlage des Metallschlauchs keinen Formschluss mit der jeweils benachbarten Wicklung oder dem jeweils benachbarten Segment aufweisen. Damit ist das Konzept des Agraffschlauchs verlassen; denn bei diesem sind dessen Profilkanten derart nach innen zurück gebo gen, dass sie ein axiales Bord bilden, welches mit dem axialen Bord des jeweils benachbarten Segments bzw. der jeweils benachbarten Wicklung auch in der Stauchlage des Schlauchs radial überlappt. Dies macht den Agraffschlauch insbesondere Widerstandsfähig gegen Torsionsbelastungen, die aber im Zusammenhang des vorliegenden flexiblen Leitungselementes nicht vorkommen, da der Metallbalg an sich bereits torsionssteif ist. Die radiale Überlappung, die in Stauchlage einen Formschluss der einzelnen Metallschlauchsegmente bzw. – wicklungen untereinander bestehen lässt, kann also entfallen. Hierdurch wird der Weg für Axialbewegungen länger. Insbesondere wird aber auch die Reibung zwischen den einzelnen Segmenten bzw. Wicklungen verringert, was die Beweglichkeit des Metallschlauchs und somit des gesamten Leitungselementes nochmals vorteilhaft erhöht. Es gibt hierbei viele verschiedene Möglichkeiten, den Metallschlauch herzustellen. Wichtig ist nur, dass etwa noch vorhandene formschlüssige Überdeckungen von hakenförmig abgebogenen Kanten des Wicklungs- oder Segmentprofils nicht im Formschluss bleiben, wenn der Metallschlauch gestaucht wird. Im Extremfall ist auch ein Metallschlauch denkbar, dessen Wicklungen sich nicht überlappen.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Leitungselement in wiederum an sich bekannter Weise mit einem Außengeflecht versehen sein, das das Leitungselement vor zu großen Auslenkungen beim Strecken und bei Winkelbewegungen sowie Lateralverschiebungen schützt und gleichzeitig einen mechanischen Schutz gegen Steinschlag oder ähnliches bietet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden an Hand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines flexiblen Leitungselements;
2 ein Diagramm der Messergebnisse der dynamischen Transfersteifigkeit eines erfindungsgemäßen Leitungselements.
1 zeigt schematisch ein flexibles Leitungselement, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Es besteht aus einem ringgewellten Metallbalg 1, einem koaxial innerhalb diesem angeordneten Metallschlauch 2, der hier als Agraffschlauch ausgebildet ist, einem zwischen diesen beiden Bauteilen angeordneten, als Gestrickemantel ausgebildeten Abstandhalter 3 sowie einem als Gestrickschlauch ausgebildeten Außengestricke 4, das an den beiden Enden des Leitungselements über jeweils eine Endhülse 5 am Metallbalg 1 festgelegt ist.
Wie 2 zeigt, ist dieses Beispiel eines erfindungsgemäßen flexiblen Leitungselements so ausgelegt, dass seine dynamische Transfersteifigkeit in Axialrichtung über einen Bereich von etwa 65 Hz bis etwa 150 Hz unter 50 N/mm liegt. Das dargestellte Diagramm enthält die Messergebnisse von zwei Leitungselementen, wobei eine Kraft je Auslenkung in N/mm über die Frequenz in Hertz aufgezeichnet ist. Die Messung erfolgte bei einer Anregungsamplitude von 0,1 mm und Raumtemperatur. Sehr deutlich ist zu erkennen, dass die Transfersteifigkeit stark von der Anregungsfrequenz abhängt. Mit dem Bezugszeichen 6 ist für einen Frequenzbereich von 80 bis 140 Hz (dies entspricht bei einem Vierzylinder-Reihenmotor der zweiten Motorordnung bei Drehzahlen von 2400 bis 4200 1/Minute) die erfindungsgemäße Grenze von 50 N/mm für die dynamische Transfersteifigkeit eingetragen. Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sind bewusst gerade in diesem Bereich in ihrer Steifigkeit optimiert, da der entsprechende Drehzahlbereich bei Vierzylinder-Motoren im normalen Alltagsbetrieb des Fahrzeugs ständig durchfahren wird.

Claims

Flexibles Leitungselement, insbesondere für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem schraubengangförmigen oder ringgewellten Metallbalg (1), mit einem koaxial innerhalb des Metallbalgs (1) angeordneten, schraubengangförmig gewickelten oder ringförmige Segmente aufweisenden Metallschlauch (2), dessen Außenquerschnitt kleiner als der lichte Innenquerschnitt des Metallbalgs (1) ist, mit mindestens einem zwischen dem Metallbalg (1) und dem Metallschlauch (2) angeordneten Abstandhalter (3) und mit einem den Metallbalg (1) außen zumindest bereichsweise umgebenden Außengestricke (4), dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Leitungselement so ausgestaltet ist, dass seine dynamische Transfersteifigkeit in Axialrichtung bei einer Anregungsamplitude von 0,1 mm und Raumtemperatur über einen Frequenzbereich der Anregungsschwingung von 80 Hz bis 140 Hz hinweg unter 50 N/mm liegt.
Flexibles Leitungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine dynamische Transfersteifigkeit über einen Frequenzbereich der Anregungsschwingung von 20 Hz bis 250 Hz hinweg unter 50 N/mm liegt.
Flexibles Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass seine dynamische Transfersteifigkeit über einen Frequenzbereich der Anregungsschwingung von 0 Hz bis 250 Hz hinweg unter 50 N/mm liegt.
Flexibles Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Außengestrickes (4) kleiner ist als der Außendurchmesser des Metallbalgs (1).
Flexibles Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es an seinen Enden jeweils eine das Außengestricke (4) am jeweiligen Metallbalgende festlegende Endhülse (5) aufweist.
Flexibles Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallbalg (1) eine Wandstärke von weniger als 0,2 mm aufweist.
Flexibles Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (3) aus einem Gestricke gebildet ist.
Flexibles Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschlauch (2) so ausgebildet ist, dass die einzelnen Wicklungen oder die einzelnen ringförmigen Segmente zumindest in der Stauchlage des Metallschlauchs (2) keinen Formschluss mit der jeweils benachbarten Wicklung oder dem jeweils benachbarten Segment aufweisen.
Flexibles Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Metallbalg (1) und das Außengestricke (4) außen zumindest bereichsweise umgebendes Außengeflecht vorhanden ist.