DE29823586U1

DE29823586U1 - Flexibles Leitungselement

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Publication number: DE29823586U1
Application number: DE29823586U
Authority: DE
Original assignee: IWK Regler und Kompensatoren GmbH
Current assignee: BOA Balg und Kompensatoren Technologie GmbH
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2008-05-30
Also published as: US20010040375A1; US6315332B1; BR9902106A; DE19824095C2; DE19824095A1

Description

NG HEINER LICHTI

DlPL-PHYS. DR. RER. NAT. JOST LEMPERT D-76207 KARLSRUHE (DURLACH)

POSTFACH 410760 DIPL-ING. HARTMUT LASCH TELEFON: (0721) 9432815 TELEFAX: (0721)9432840

IWK Regler und 16582.2/99 Le/Lz/es

Kompensatoren GmbH 20. Mai 1999

Lorenzstraße

D-76297 Stutensee

Flexibles Leitungselement

Die Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement, insbesondere für Abgasleitungen von Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen.
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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, Störungen des Fahrzeugs, temperaturbedingten Längenänderungen 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 Dämpfungselementen, so daß bei Schwingungsanregung 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 führen, vermieden werden.

t · I ·

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 unerwünschter Weise an benachbarte Bauteile weitergeleitet. Ist der Balg torsionsweich, so eignet er sich zur Entkopplung benachbarter Bauteile, doch können insbesondere dynamische Torsionsbelastungen zu dessen Versagen führen. In diesem Zusammenhang sei hervorgehoben, daß bei dynamischer Beanspruchung ein metallischer Werkstoff früher ermüdet als bei statischer Beanspruchung, wobei die Beanspruchungen, denen ein Leitungselement in der Abgasleitung 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 torsionsweich ist, so daß es bei Torsionsbeanspruchung diese nicht an benachbarte Bauteile weiterleitet, und andererseits auch bei hohen Torsionsbelastungen nicht versagt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Leitungselement der eingangs genannten Art gelöst, welches wenigstens 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 Ähnlichkeit eines wendelgewellten Metallbalges mit einer Schraubenfeder. Wird eine Schraubenfeder gelängt oder gestaucht, erfährt sie eine Rückstellkraft F, die der Auslenkung s proportional ist, wobei der Proportionalitätsfaktor D die Federstärke ist:

F = DxS

Bei einer Auslenkung s beginnt die Schraubenfeder, sich um ihre Längsmittelachse zu verdrehen oder zu tördieren, 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 Schraubenfedern 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 Verdrehung um seine Längsmittelachse in eine Längenänderung um, wobei er eine zur Längenänderung proportionale Rückstellkraft 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 kombinieren. Dabei muß mindestens ein Balg zur Umsetzung der Torsion in eine Längenänderung wendelgewellt sein, während der zweite Balg zur Kompensierung dieser Längenände-0 rung wendelgewellt oder ringgewellt sein kann.

Die Torsionsweichheit des erfindungsgemäßen Leitungselements kann über die Geometrie der Gewindegänge des oder der wendelgewellten Bälge eingestellt werden. Die Torsionsweichheit 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 Gewindesteigung aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße 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 translatorisch verschiebt, wobei das der Einleitung der torsionalen 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 hintereinander 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 unerwünschter Weise in Form einer translatorischen Belastung weitergeleitet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen 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 beispielsweise 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 wesentlichen starren Rohrelements fest verbunden, wobei das andere Ende des innenseitig des inneren Balges angeordneten Rohrelements als das eine zylindrische Anschlußende des Leitungselements und das andere Anschlußende des äußeren Balges als das andere zylindrische Anschlußende des Leitungselements dient. Ahnlich wie bei der Hintereinanderanordnung der Bälge hat eine torsionale Auslenkung 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 entgegengesetzte 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 wendelgewellten Bälge läßt sich mit dieser Anordnung eine höhere Torsxonsstexfigkeit des Leitungselements erzielen.

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

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

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Leitungselement mit einer Hintereinanderanordnung

zweier wendelgewellter Bälge gegensinniger Gewindesteigung;

Fig. 2 ein Leitungselement mit einer Hinter-

einanderanordnung eines wendelgewell

ten und eines ringgewellten Balges;

Fig. 3 ein Leitungselement mit einer Parallelanordnung zweier wendelgewellter

0 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, la 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, la haben eine gegensinnige, aber in etwa gleichgroße Gewindesteigung h.

Eine auf einen wendelgewellten Balg wirkende Torsionsbewegung 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 wendelgewellte Balg 1 die Torsionsbewegung in eine Längenänderung umsetzt. Zur Kompensierung dieser Längenänderung, beispielsweise einer Stauchung, dehnt sich der wendelgewellte Balg la 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 Anordnung zweier wendelgewellter Bälge 1, la entspricht die Stauchung des einen Balges der Verlängerung des anderen Balges, wobei sich die Verbindungsstelle 5 der Bälge verdreht, das der Einleitung der Torsionsbewegung entgegengesetzte Anschlußende des Leitungselements aber in Ruhe bleibt.

In der Fig. 2 ist ein Leitungselement mit Hintereinanderanordnungen zweier über eine Schweißnaht 5 im Bereich ihrer zylindrischen Anschlußenden 4b, 6a fest miteinander verbundener Bälge eines flexiblen, tordierbaren Leitungselements gezeigt, wobei ein wendelgewellter Balg 1 mit einem ringgewellten Balg 2 kombiniert ist. In diesem Fall wird bei der Torsion eines Anschlußendes des Leitungselements der wendelgewellte Balg 1 beispielsweise gestaucht, wobei sich der ringgewellte Balg 2 entsprechend dehnt, so daß zwar keine Kopplung von Torsionsbewegungen mit translatorischen Bewegungen in axialer Richtung des Leitungselements 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, Ic (Fig. 3) bzw. 1, Id (Fig. 4) unterschiedlichen Durchmessers 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 lc, Id hindurch erstreckenden Rohrelements 7 dient als das andere zylindrische Anschlußende 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 lc, Id fest verbunden.

Das ferne Anschlußende 3b des inneren Balges Ic ist, wie in Fig. 3 gezeigt, über ein Verbindungselement, beispielsweise 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 Ic.

Nach der Ausgestaltung der Fig. 4 ist der Innendurchmesser des äußeren Balges 1 kleiner als der Außendurchmesser des inneren Balges Id, wobei die Balgwendeln ineinandergreifen. In diesem Fall kann das zylindrische Anschlußende 3b des inneren Balges Id 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 wendelgewellte Balg 1 die Torsionsbewegung in eine Längenänderung, beispielsweise in eine Stauchung, umsetzt. Zur Kompensierung dieser Stauchung dehnt sich der innere Balg Ic (Fig. 1) bzw. Id (Fig. 2) gleichsinniger Gewindesteigung, so daß sich lediglich die Verbindungsstelle 5 der Bälge, aber nicht das Anschlußende 7b des Leitungselements 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, Id auftretenden Reibung eine höhere Torsionssteifigkeit aufweist, verhält sich die in Fig. 3 gezeigte Anordnung torsionsweicher, wobei in diesem Fall auch einer der Bälge 1, Ic als ringgewellter Balg ausgebildet sein kann.

Claims

1. Flexibles Leitungselement, insbesondere für Abgasleitungen von Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen, gekennzeichnet durch wenigstens zwei mit zylindrischen 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 gekennzeichnet, daß die Bälge (1, 1a bzw. 1, 2) hintereinander angeordnet sind.

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

5. Leitungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Bälge (1, 1a) wendelgewellt sind und ein Gewinde mit gegensinniger Steigung aufweisen.

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

7. Leitungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 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) angeordneten Rohrelements (7) als das eine zylindrische Anschlußende des Leitungselements und das andere Anschlußende (4a) des äußeren Balges (1) als das andere zylindrische Anschlußende des Leitungselements dient.

8. Leitungselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Bälge (1, 1c bzw. 1, 1d) wendelgewellt sind und ein Gewinde mit gleichsinniger 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 gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des äußeren Balges (1) kleiner als der Außendurchmesser des inneren Balges (1d) ist.

13. Leitungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die wendelgewellten Bälge mehrgängig ausgeführt sind.