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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine biegsame gewellte Leitung mit
zumindest einem geschlossenen metallischen Ring, welcher einen abgerundeten
inneren Rand aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung findet insbesondere in der Industrie der Automobilkomponenten
Anwendung, aber industrielle, medizinische, agrar-/versorgungsbezogene,
oder kosmetische Kreise etc. können
ebenfalls betroffen sein.
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Biegsame
gewellte Leitungen mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt, gefertigt
aus Elastomermaterial, beispielsweise aus Kautschuk, werden derzeit
für den
Transport von Fluiden (Luft, Kühlflüssigkeit
etc.) benutzt, insbesondere in den Motoren von Automobilen. Um ihr
Quetschen zu verhindern, wenn sie gebogen werden, sind die biegsamen gewellten
Leitungen im Allgemeinen mit metallischen Verstärkungsringen verbunden, welche
in den „Mulden" der Wellen angeordnet
sind, d.h. in Übereinstimmung
mit den Minima des Durchmessers des Querschnitts der Leitung. Diese
Ringe, welche am häufigsten
aus rostfreiem Stahl gefertigt sind, weisen allgemein einen glatten
und abgerundeten inneren Rand, in Kontakt mit der biegsamen gewellten
Leitung, auf, dessen kleinster Krümmungsradius in der Größenordnung
von 1 mm liegt. Dies erlaubt es, das Elastomermaterial, welches
die biegsame gewellte Leitung bildet, auch unter Bedingungen erhöhter Temperatur
und starken Vibrationen, welche in einer Motorumgebung vorliegen,
nicht zu beschädigen. Beispielsweise
kann eine biegsame gewellte Leitung ausgestaltet sein, in einem
Temperaturbereich zwischen –30°C und +175°C zu funktionieren,
Vibrationen der Frequenz zwischen 30 und 200 Hz mit einem internen
Druck der Größenordnung
1,5 bar, welcher auf den inneren Rand der Verstärkungsringe wirkt, unterworfen
zu werden; ihre Lebensdauer sollte in der Größenordnung von 15 Jahren sein
können.
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Derzeit
werden diese Verstärkungsringe ausgehend
von einem metallischen Draht mit kreisförmigen Querschnitt realisiert.
Der Draht wird spiralförmig
geformt, abgeschnitten, ausgerichtet bzw. geradegebogen, geschweißt und entgratet.
Die so erhaltenen Ringe werden dann visuell kontrolliert, um diejenigen
auszusondern, welche Fehler aufweisen, insbesondere einen unvollkommenen
Oberflächenzustand
bei der Schweißnaht,
welcher geeignet ist, eine vorzeitige Abnutzung der biegsamen gewellten Leitung
hervorzurufen. Schließlich
werden die Ringe auf der externen Oberfläche der biegsamen gewellten
Leitungen montiert, um dort eine Verstärkungsfunktion sicherzustellen.
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Dieses
Verfahren ist kostspielig und in seiner Produktivität begrenzt.
Weiterhin stellt es Zuverlässigkeitsprobleme,
welche mit der Form der Schweißnaht
und der Abnutzung des Kautschuks aufgrund der Unregelmäßigkeit
der Oberfläche
des Rings bei der Schweißnaht
verbunden sind.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine biegsame gewellte Leitung
mit mindestens einem geschlossenen metallischen Verstärkungsring vorzuschlagen,
welcher geeignet ist, durch ein Herstellungsverfahren hergestellt
zu werden, welches zuverlässiger,
weniger kostspielig und besser an hohe Produktionsvolumina angepasst
sein soll als bekannte Verfahren des Standes der Technik.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine mit mindestens
einem derartigen geschlossenen metallischen Ring versehene biegsame gewellte
Leitung vorzuschlagen, welche unter anderem bessere mechanische
Eigenschaften bei gleicher Materialmenge verglichen mit bekannten
Ringen des Standes der Technik aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenso ein Herstellungsverfahren
für eine
derartige Leitung.
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine biegsame gewellte
Leitung mit zumindest einem geschlossenen metallischen Ring, dadurch
gekennzeichnet, dass die Form des Rings durch eine Drehung einer
offenen Kontur mit einer Dicke um eine Achse definiert ist, welche
einen gerundeten Boden und zwei laterale Arme aufweist, wobei der
Boden den inneren Rand des Rings bildet, welcher dazu bestimmt ist,
in Kontakt mit der biegsamen gewellten Leitung zu sein.
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Vorteilhafterweise
weist der geschlossene metallische Ring keine Schweißnaht auf.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die zwei lateralen Arme zueinander
parallel und senkrecht zu der Drehachse.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
Erfindung konvergieren die zwei lateralen Arme symmetrisch bezüglich einer
Ebene senkrecht zu der Drehachse.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
Erfindung konvergieren die zwei lateralen Arme in nicht symmetrischer
Weise.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
Erfindung konvergieren die zwei lateralen Arme in einer Weise, einen
Umfangsbogen zu bilden, welcher einem Winkel nahe 360° entspricht.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
Erfindung weist die offene Kontur eine Spiralform auf.
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Gemäß vorteilhafter
Merkmale:
- – weist
der gerundete Boden einen Krümmungsradius
von mindestens 1 mm auf.
- – ist
die Dicke der Kontur, welche den Ring bildet, kleiner als der Krümmungsradius
des gerundeten Bodens.
- – ist
der Ring aus rostfreiem Stahl bzw. Edelstahl.
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Ein
anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellungsverfahren
einer derartigen Leitung, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellungsphase
des Rings mindestens einen Schritt der Deformation eines Teils in
Form einer Scheibe oder eines Zylinders mit zwei gegenüberliegenden Rändern in
einer Weise umfasst, eine Annäherung der
zwei gegenüberliegenden
Ränder
zu erzeugen und somit dem Teil eine zu dem äußeren des Rings hin konkave
Form zu geben.
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Bei
einem bestimmten Ausführungsbeispiel des
Verfahrens weist das Teil die Form einer Scheibe auf, wobei die
gegenüberliegenden
Ränder
einen inneren Rand und einen äußeren Rand
bilden und der Schritt der Deformation die Anhebung des inneren Randes
und sein Herunterklappen auf den äußeren Rand umfasst.
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Vorteilhafterweise
wird bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel
des Verfahrens das Teil in Form einer Scheibe aus einer Metallfolie
ausgestanzt.
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Bei
einem anderen bestimmten Ausführungsbeispiel
des Verfahrens weist das Teil eine Zylinderform auf und ist ein
von einem Metallrohr abgeschnittener Abschnitt.
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Bei
diesem besonderen Ausführungsbeispiel der
Erfindung umfasst der Schritt der Deformation des zylinderförmigen Teils
das Herunterklappen nach außen
der zwei gegenüberliegenden
Ränder,
was zu ihrer Annährung
und zum Zusammendrücken
des Teils führt.
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Das
Verfahren kann zudem einen Vorgang des Zuschneidens der gegenüberliegenden
Ränder umfassen.
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Das
Verfahren kann zudem einen Vorgang des Entgratens der gegenüberliegenden
Ränder
umfassen.
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Das
Verfahren kann zudem einen Vorgang des Glühens des Teil umfassen.
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Gemäß verschiedener
Ausführungsformen des
Verfahrens kann der Schritt der Deformation durch einen Ziehvorgang,
durch Formen oder durch Hydroformen durchgeführt werden.
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Schließlich kann
der Schritt des Deformierens im heißen Zustand ausgeführt werden.
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Andere
Eigenschaften, Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Lesen der Beschreibung, welche unter Bezugnahme auf die angefügte als
Beispiel gegebene Zeichnung durchgeführt wird.
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1 zeigt
einen longitudinalen Schnitt einer biegsamen gewellten Leitung mit
Verstärkungsringen
einer Art, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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2A und 2B zeigen
eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines Verstärkungsrings
einer aus dem Stand der Technik bekannten Art, welcher durch einen
an seinen Enden verschweißten
Metalldraht gebildet wird.
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3 zeigt
ein Schema des Herstellungsverfahrens von Ringen ausgehend von einem
Metalldraht, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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4A–4D zeigen
verschiedene Ansichten eines geschlossenen metallischen Rings gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5 zeigt
in Form eines Organigramms ein allgemeines Schema des Herstellungsverfahrens von
Ringen ausgehend von Metallfolien oder -rohren, Gegenstand der vorliegenden
Erfindung.
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6A–6G beziehen
sich auf verschiedene Schritte eines besonderen Ausführungsbeispiels
eines Herstellungsverfahrens der Ringe ausgehend von Metallfolien
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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7A–7C beziehen
sich auf verschiedene Schritte eines bestimmten Ausführungsbeispiels
des Herstellungsverfahrens der Ringe ausgehend von Metallfolien.
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8A–8E zeigen
Querschnittsansichten von verschiedenen Abwandlungen von geschlossenen
metallischen Ringen gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht einer biegsamen gewellten Leitung 10 mit
Verstärkungsringen 11,
welche in Übereinstimmung
mit „Mulden" 12 der
Wellen positioniert sind. Die Ringe 11 bestehen aus einem
Draht mit kreisförmigem
Querschnitt, welcher an seinen Enden gemäß dem im Stand der Technik
bekannten Technik verschweißt
ist.
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Die 2A und 2B zeigen
eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines Rings 20, welcher
aus einem Draht mit kreisförmigem
Querschnitt, welcher an seinen Enden 21 gemäß der aus dem
Stand der Technik bekannten Technik verschweißt ist, besteht.
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Die 3 zeigt
ein Schema des Herstellungsverfahrens von Ringen ausgehend von einem Metalldraht
mit kreisförmigem
Querschnitt. Der Draht 301 wird durch eine Spule 302 bereitgestellt,
er unterzieht sich einem ersten Formvorgang 303, welcher ihn
aufrollt, um eine Helix 304 zu bilden, welche dann abgeschnitten
wird, Schritt 305 des Verfahrens, um offene Ringe 306 zu
bilden. Die Enden 307 dieser Ringe 306 vereinigen
sich nicht, es ist nötig,
sie bei einem zweiten Formvorgang 308 geradezubiegen, um
offene Ringe 309 zu erhalten, welche bereit sind, geschweißt zu werden.
Nach dem Schweißvorgang 310 unterziehen
sich die Ringe einem Entgraten 311 und einer visuellen
Auswahl 312.
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Die 4A–4D zeigen
eine isometrische Ansicht, eine Frontansicht, eine Profilansicht bzw.
eine Schnittansicht eines geschlossenen metallischen Rings 41 gemäß einem
bestimmten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Form des Rings wird durch die Drehung
einer offenen Kontur 42 mit einer Dicke h, welche einen
abgerundeten Boden 43 in Form eines „c" und zwei laterale Arme 45 und 47 aufweist,
wobei der Boden 43 den inneren Rand des Rings darstellt,
um eine Achse z definiert. Im vorliegenden Fall ist der Radius R
des Rings 25 mm und der Krümmungsradius
r des abgerundeten Bodens 43 ist 1 mm, der Wert von r ist
wichtig, da er ausreichend sein sollte, die Beschädigung der
biegsamen gewellten Leitung 11 zu vermeiden, zu der Befestigung
auf welcher der Ring 41 bestimmt ist. Die Länge L der
lateralen Arme 45 und 47, hier 3 mm, bestimmt
den Widerstand des Rings 41 gegenüber dem Zusammendrücken und
der Ovalmachung. Der Zustand der Endfertigung der Kanten 48, 49 der
lateralen Arme 45, 47 ist nicht kritisch, da diese
Kanten nie in Kontakt mit der biegsamen gewellten Leitung kommen.
Zusätzlich
zu der Einfachheit der Herstellung weist ein derartiger Ring 41 verglichen
mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Ring 20 intrinsische
Vorteile auf, insbesondere einen größeren Widerstand gegenüber Zusammendrücken und
Ovalmachung bei gleicher Materialmenge und der Abwesenheit der Schwächung aufgrund
einer Schweißnaht.
Im Übrigen
hängt die
mechanische Widerstandskraft des Rings 41 im Wesentlichen
von der Länge
der lateralen Arme 45 und 47 und nicht vom Krümmungsradius
r ab. Im Gegensatz zum Fall eines Rings 20, welcher notwendigerweise
eine Form eines Torus aufweist, ist es beispielsweise möglich, einen
Ring 41 mit einem relativ kleinen Krümmungsradius r zu realisieren,
welcher nichtsdestotrotz dank besonders langer lateraler Arme 45 und 47 eine
erhöhte
Widerstandskraft aufweist.
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5 zeigt
in Form eines Organigramms ein Schema des Herstellungsverfahrens
von Ringen ausgehend von Metall in Form von Folien oder Rohren gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der erste Schritt 51 ist das Ausstanzen bzw.
Ausschneiden von Scheiben aus einer Metallfolie oder das Abschneiden von
Abschnitten von einem Metallrohr. Es folgen ein oder mehrere Schritte
des Formens 52, ein Zuschneiden 53 der äußeren Kanten,
um den Außendurchmesser
des Rings zu verringern, ein Entgraten 54 der äußeren Kanten
und einen Schritt 55 des Glühens, um die Kaltverformung
der Ringe zu verringern. Die drei letzten Schritte müssen nicht
durchgeführt
werden, zumindest für
bestimmte Anwendungen. Insbesondere ist der Schritt 55 des
Glühens
nicht notwendig, wenn das Formen 52 im heißen Zustand
durchgeführt
wird.
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Das
Verfahren zur Herstellung von biegsamen gewellten Leitungen, welche
mit erfindungsgemäßen Verstärkungsringen
ausgerüstet
sind, umfasst, zusätzlich
zu der Phase der Herstellung der Ringe wie oben beschrieben, eine
Phase der Herstellung der biegsamen Leitungen im eigentlichen Sinn, bekannt
aus dem Stand der Technik, und eine Phase des Zusammenbauens, welche
ebenfalls bekannt ist.
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Die 6A–6G beschreiben
im Detail ein Ausführungsbeispiel
des in 5 dargestellten Verfahrens, bei welchem von einer
Metallfolie 601, beispielsweise aus Edelstahl, mit einer
Dicke h typischerweise zwischen 0,1 und 0,5 mm, zum Beispiel 0,3
mm, ausgegangen wird. In der 6A, welche den
allgemeinen Ablauf des Verfahrens zeigt, sieht man, dass die Folie 601 durch
ein Band einer Länge von
mehreren 10 m gebildet ist, welches auf einer Laderolle 603 aufgerollt
ist. Während
eines ersten Schritts 605 werden Scheiben 607 in
Form eines kreisförmigen
Kreisringes aus der Folie 601 ausgestanzt; die schmalen
Materialbrücken 609 verbinden die
Scheiben untereinander in einer Weise, dass sie wiederum ein Band
bilden, welches dem Inneren einer Werkzeugmaschine zugeführt werden
kann. Es folgt ein Schritt eines Ziehvorgangs 611, welcher
aus drei elementaren Vorgängen
zusammengesetzt ist, welche detailliert in den 6B und 6C, 6D und 6E bzw. 6F und 6G dargestellt sind.
- – Bei
dem ersten Vorgang 613 heben ein zylindrischer Durchschlag 615 und
eine zu dem Durchschlag 615 komplementäre Matrix 616 die
innere Kante 617 der Scheiben 607 an,
- – bei
dem zweiten Vorgang 619 beginnen ein konischer Durchschlag 621 und
eine zu dem Durchschlag 621 komplementäre Matrix 622, den
inneren Rand 617 nach außen herunterzudrücken, und
- – bei
dem dritten Vorgang 623 erreicht eine Presse 625 das
Herunterklappen des inneren Randes 617 auf den äußeren Rand 627.
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Nach
dem Ziehvorgang erlaubt es ein zweites Zuschneiden 629,
gegebenenfalls gefolgt von einem Entgraten 631, laterale
Arme 45, 47 der gewünschten Länge zu erhalten, die Scheiben 607 zu trennen
und die Materialbrücken 609 zu
beseitigen. Schließlich
wird das Verfahren durch einen Schritt des Glühens 633 beendet,
welcher die Kaltverformung des Metalls, welcher es während dem
Ziehvorgang unterworfen war, eliminiert und welcher es ihm erlaubt,
eine hinreichende Elastizität
zu erlangen.
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Dieses
besondere Ausführungsbeispiel
der Erfindung erlaubt die kontinuierliche Herstellung einer großen Anzahl
von Ringen dank der Länge
des Metallbandes 601, welches einige zehn oder hunderte
von Metern erreichen kann. Einige zehntausend Ringe können somit
hergestellt werden, bevor es notwendig ist, die Laderolle 603 zu
ersetzen.
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7A–7C beziehen
sich auf ein bestimmten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei welchem von einem Metallrohr 701, beispielsweise aus
Edelstahl, ausgegangen wird, welches eine Dicke h aufweist, die
typischerweise zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt, beispielsweise 0,3
mm, und einen Radius R gleich demjenigen der herzustellenden Ringe, beispielsweise
25 mm, aufweist. Das Metallrohr 701 kann beispielsweise
durch Ziehen erhalten werden und somit keine Schweißnaht aufweisen,
oder auch durch Aufrollen, Schweißen und Entgraten einer Metallfolie
hergestellt werden. In der 7A, welche den
allgemeinen Ablauf des Verfahrens zeigt, sieht man, dass während einem
ersten Schritt 703 Abschnitte 705 mit einer Dicke
H typischerweise 6 und 12 mm, beispielsweise 10 mm, senkrecht zu
der Achse z des Rohrs 701 abgeschnitten werden. Es folgt ein
Schritt des Ziehvorgangs 707, welcher aus zwei elementaren
Vorgängen
zusammengesetzt ist, welche detailliert in 7B bzw. 7C dargestellt
sind:
- – Bei
dem ersten Vorgang 709 klappt ein Doppeldurchschlag 711 in
Form eines abgeschnittenen Kegels, auf welchem ein Zylinder überlagert
ist, die Kanten 713, 715 der Abschnitte 705 nach
außen,
und
- – bei
dem zweiten Vorgang 717 drückt eine Presse 719 den
Abschnitt 705 zusammen, wobei es die Kanten 713, 715 einander
annähert.
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Wie
bei dem in den 6A–6G dargestellten
Verfahren wird der Ziehvorgang von einem Zuschneiden 721 der äußeren Kanten,
einem Entgraten 723 und einem Glühen 725 gefolgt. Das
fertige Produkt ist von demjenigen, welches durch das vorstehend
beschriebene bestimmte Ausführungsbeispiel
der Erfindung erhalten wurde, nicht unterscheidbar. Dieses bestimmte
Ausführungsbeispiel
ist besonders an die Herstellung von Ringen angepasst, welche aus
teuerem Material bestehen, wie einem speziellen Stahl, da es erlaubt,
den Materialverlust zu minimie ren. Auf der anderen Seite ist es
weniger gut an große
Produktionsvolumina angepasst wie das Verfahren, welches eine Metallfolie
benutzt, da die Länge
der Rohre allgemein auf 3 bis 5 m beschränkt ist, was häufige Beladungen
der Werkzeugmaschine nötig
macht, welche die Ringe herstellt. Zudem stellend die Abschnitte 705 getrennte
Teile dar, welche individuell behandelt werden müssen, während die Scheiben 607 bis
zum Ende des Schritts 611 des Ziehvorgangs gemeinsam in
einem Band behalten werden können.
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Die
Details der bestimmten Ausführungsbeispiele,
welche in dem 6A–6G und 7A–7C dargestellt
sind, sind nur als Beispiel gegeben, und es möglich, sich viele Abwandlungen der
beschriebenen Verfahren vorzustellen, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann der Schritt des Ziehvorgangs 611 oder 707 durch
einen Schritt des Formens oder Hydroformens ersetzt werden und kann
im heißen
Zustand in einer Weise durchgeführt
werden, die Kaltverformung des Materials zu vermeiden, ohne einen Schritt
des Glühens 633 oder 725 durchgeführt zu haben.
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Die 8A–8E zeigen
nur zur Veranschaulichung und ohne jeglichen einschränkenden Charakter
Beispiele für
Querschnitte 81–84 von
geschlossenen metallischen Ringen 41, welche durch das
beschriebene Verfahren erhalten werden können, unabhängig vom ausgewählten bestimmten Ausführungsbeispiel.
Der kleinste Krümmungsradius r
des inneren Randes 43 wird insbesondere in diesen Figuren
dargelegt. Typischerweise sollte, damit der Ring als Verstärkungsring
einer biegsamen gewellten Leitung benutzt werden kann, der Krümmungsradius r
ungefähr
1 mm messen, während
der größere Krümmungsradius
R ungefähr
25 mm beträgt.
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Insbesondere
zeigt die 8A einen Querschnitt eines Rings,
bei welchem die zwei lateralen Arme 45 und 47 zueinander
parallel und senkrecht zu der Drehachse z sind. Es handelt sich
um die Art von Ring, welche durch die in den 6A–6G und 7A–7C gezeigten
Verfahren erhalten wird.
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Die 8B zeigt
einen Querschnitt eines Rings, bei welchem die zwei lateralen Arme 45 und 47 symmetrisch
bezüglich
einer Ebene 81 senkrecht zu der Drehachse z konvergieren.
Diese Art von Ring kann aus dem in 8A dargestellten
Typ erhalten werden, indem dem Herstellungsverfahren ein letzter Schritt
der Deformation hinzugefügt
wird.
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Die 8C zeigt
einen Querschnitt eines Rings, bei welchem die zwei lateralen Arme 45 und 47 in
asymmetrischer Weise konvergieren und unterschiedliche Längen aufweisen.
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Die 8D zeigt
einen Querschnitt eines Rings, bei welchem die zwei lateralen Arme 45 und 47 in
einer Weise konvergieren, einen Umfangsbogen zu bilden, welcher
einem Winkel nahe 360° entspricht,
d.h. dass der Querschnitt des Rings fast kreisförmig ist.
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Die 8E zeigt
einen Querschnitt eines Rings, bei welchem die zwei lateralen Arme 45 und 47 und
der Boden 43 eine Spiralkontur bilden.
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Man
kann sich einfach andere mögliche
Formen vorstellen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
findet ebenso auf geschlossene metallische Ringe Anwendung, welche
andere Abmessungen als die in der Beschreibung angegebenen aufweisen
und aus anderen Metallen als Edelstahl bestehen.