DE102007002636B4

DE102007002636B4 - Feder-Dämpfer-Element für flexible Leitungselemente

Info

Publication number: DE102007002636B4
Application number: DE102007002636.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Weiss; Karl-Heinz Münker; Dietmar Baumhoff; Oliver David Selter; Dr.-Ing. Hauk Stefan; Andreas Gerhard; Dipl.-Ing. Schenk Karsten
Original assignee: Westfalia Metal Hoses GmbH
Current assignee: Westfalia Metal Hoses GmbH
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2027-01-13
Also published as: DE102007002636A1

Abstract

Anordnung aus einem Feder-Dämpfer-Element und einem flexiblen Leitungselement (21, 31), dadurch gekennzeichnet, dass- das Feder-Dämpfer-Element ein schlauchförmiges, dämpfendes Material (12, 41) aufweist, welches eine schraubengangförmige Torsionsfeder (11) in Bezug auf den Umfang im Wesentlichen umschließt;- das Feder-Dämpfer-Element das flexible Leitungselement (21, 31) an dessen Außenseite umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feder-Dämpfer-Element für flexible Leitungselemente. Letztere werden zum Ausgleich von Einbautoleranzen und zur Entkopplung von Betriebsschwingungen in Leitungssystemen eingesetzt. Bevorzugtes Anwendungsgebiet des hier beschriebenen Erfindungsgegenstands ist sein Einsatz in Abgasanlagen im PKW- und Nutzfahrzeug-Bereich.
Im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen entstehen stets Schwingungen, die meist durch Unwuchten von Rotationselementen im Motor, Turbo oder in Nebenaggregaten verursacht werden. Eine weitere Anregung von Schwingungen ist durch die pulsförmigen Druckverläufe des Verbrennungsmotors gegeben, deren Perioden drehzahlabhängig sind und über die Ventile und deren Steuerung in die Abgasanlage gelangen. Neben diesen höherfrequenten Schwingungen können Frequenzen im einstelligen und kleinen zweistelligen Hertz-Bereich durch die Fahrbewegungen in Verbindung mit Fahrbahn-Unebenheiten und deren Rückkopplung in das Fahrgestell angeregt werden.
Flexible Leitungselemente sollen die in die Abgasanlage induzierten Schwingungen entkoppeln. Dabei sind neben den mechanischen bzw. dynamischen Frequenzbändern ebenfalls durch Körperschall emittierte akustische Frequenzen relevant, in speziellen Fällen sogar bis hin in den Frequenzbereich von 5000 Hertz.
Flexible Leitungselemente bestehen meist aus metallischen Werkstoffen. Ihr Schwingungsverhalten kann somit durch ihre Massen und Federsteifigkeiten charakterisiert werden. Dämpfungseigenschaften werden oftmals durch Metallgeflechte oder Metallgestricke erzeugt. Diese Dämpfungselemente werden in vielen Fällen als ein das Entkopplungselement ummantelndes Braiding eingesetzt. Eine Variante dieser Bauart ist in DE 10 2004 025 946 A1 dargestellt. Dort wird das Dämpfungselement in Form eines ringförmigen Gestrickes an einem axialen Ende des Leitungselements angebracht. Eine weitere Variante ist in DE 200 23 409 U1 beschrieben. Im Gebrauchsmuster wird ein 2 bis 5 mm dicker Gestrickemantel außen auf die Wellungen eines Metallbalgs derart aufgebracht, dass das Material des Gestrickemantels zwischen den Bergen der Wellen radial nach innen ragt.
Als gasführende Elemente kommen in vielen Fällen Metallbälge mit symmetrisch zur Rotationsachse ausgebildeten Wellungen oder aber balgartige Geometrien mit einer schraubengangförmigen Kontur am Außenumfang zum Einsatz. Im Betrieb können die in die Abgasanlage induzierten Schwingungen Eigenfrequenzen in den flexiblen Leitungselementen anregen. Im Fall von Metallbälgen mit symmetrisch zur Rotationsachse ausgebildeten Wellungen sind die zu den kleinen Eigenfrequenzen zugehörigen Eigenformen oftmals in der Balgstruktur stehende Longitudinalwellen, deren Anzahl von Schwingungsknoten mit der Ordnung der Eigenfrequenz wächst. Die Höhe dieser Eigenfrequenzen sinkt mit geringer werdender Steifigkeit. Deshalb liegen die Eigenfrequenzen solcher Bauteile um so niedriger, je größer deren Durchmesser und Längen werden. Dies gilt für den PKW-Bereich, wo die oben beschriebenen Lösungen bereits seit längerem etabliert sind. Vor allem aber im Nutzfahrzeug-Bereich, in dem die Durchmesser und Längen der flexiblen Leitungselemente oftmals systembedingt größer sind, ist ein Einsatz von Metallbälgen ohne auf die spezielle Konfiguration angepasste Dämpfungselemente nicht aussichtsreich.
Da weltweite gesetzliche Vorschriften den Schadstoff-Ausstoß von Nutzfahrzeugen zukünftig deutlich nach unten regulieren, werden Abgasanlagen zukünftig vermehrt mit Nachbehandlungsmodulen wie z.B. Russpartikel-Filtern und SCR-Systemen ausgestattet. Die Aggregate zur Abgas-Nachbehandlung schränken den im Nutzfahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraum weiter ein, so dass für jedes verbaute Element, insbesondere auch für das flexible Leitungselement, die Bauraum-Minimierung eine wichtige Gestaltungsregel ist. Parallel dazu steigt die spezifizierte Mindest-Lebensdauer signifikant.
Die Forderung nach Minimierung des Bauraums für das Gesamtsystem wird dadurch erfüllt, dass das flexible Leitungselement mit einer möglichst kleinen sowohl statischen als auch dynamischen Steifigkeit ausgelegt wird. Dies ist eine Nebenbedingung der hier beschriebenen Erfindung und bietet u.a. den Vorteil, dass eine kleine statische Steifigkeit bei vorliegenden Einbautoleranzen in das Leitungssystem zu ebenfalls kleinen Vorspannkräften und damit einhergehenden kleinen Strukturspannungen im Entkopplungselement führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Element bereitzustellen, dass in Verbindung mit einem flexiblen Leitungselement zu einem System führt, welches eine ausreichende Entkopplung der Betriebsschwingungen bei gleichzeitig kleinstmöglichem Bauraum, ausreichende Eigenstabilität und eine hohe Lebensdauer bietet. Der einfache und prozesssichere Zusammenbau des Elements mit dem flexiblen Leitungselement ist eine weitere Aufgabe der Erfindung.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Feder-Dämpfer-Element (1) gelöst. Es stellt einen Verbund aus einer Torsionsfeder (11) und einem Schlauch aus gestricktem Metallgewebe (12) dar. Dieser umgibt die Torsionsfeder auf einem Grossteil ihrer Länge. Das Feder-Dämpfer-Element (11,12) ist am Außenumfang des flexiblen Leitungselements angeordnet. In den Endbereichen liegt die Torsionsfeder frei, so dass eine vorzugsweise stoffschlüssige Anbindung an das flexible Leitungselement möglich ist.
Der Verbund aus einer Torsionsfeder und einem Schlauch aus gestricktem Metallgewebe weist neben den Dämpfungseigenschaften auch eine Steifigkeit auf, welche in Verbindung mit der beschriebenen, möglichst kleinen Steifigkeit des flexiblen Leitungselements, zu einer Systemsteifigkeit führt, die ausreichend groß ist, um die Eigenfrequenzen des Systems aus den Haupt-Anregungsbereichen hinaus nach oben zu verschieben. Da ferner ein flexibles Leitungselement mit kleiner Steifigkeit eine geringe Eigenstabilität hat, kann es im statischen Zustand bereits zu Fehlstellungen, z.B. zum Durchhang gemäß einer Biegelinie kommen. Die gefundene Bauform des Feder-Dämpfer-Elements umgibt das flexible Leitungselement und trägt mit seiner Steifigkeit zu einer Verbesserung der Eigenstabilität des Gesamtsystems bei.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Positionierung des gestrickten Metallgewebes über die Torsionsfeder erfolgt. Auf diese Weise wird eine höhere Lebensdauer des Systems erzielt, da Verschleißerscheinungen am Metallgewebe nicht zum Verrutschen und somit zu einer Änderung der Dämpfungseigenschaften führen.
2 zeigt als mögliches Ausführungsbeispiel ein System aus einem Metallbalg (21) mit symmetrisch zur Rotationsachse ausgebildeten Wellungen. Die Enden (22) des beschriebenen Feder-Dämpfer-Elements (11,12) werden auf den rohrförmigen Endbereichen (23) vorzugsweise stoffschlüssig angebunden (25). Die Torsionsfeder kann in Abhängigkeit der dynamischen Auslegung des Gesamtsystems unterschiedliche Steigungen aufweisen. Der Innendurchmesser des Feder-Dämpfer-Elements (11,12) ist kleiner als der Außendurchmesser des Metallbalgs, so dass die Elemente nach dem Zusammenbau unter einer elastischen Vorspannung stehen. Auf diese Weise wird ein definierter Anschluss der zusätzlichen Steifigkeit und Dämpfung an den Metallbalg sichergestellt. Bei einem flexiblen Leitungselement mit schraubengangförmiger Außenkontur kann das Feder-Dämpfer-Element in der vorher beschriebenen Weise angebracht werden.
Für ein flexibles Leitungselement mit schraubengangförmiger Außenkontur (31) ist in 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei wird das Feder-Dämpfer-Element in die Täler der Wellungen (32) eingebracht, so dass sich der ursprüngliche Außendurchmesser des flexiblen Leitungselements nicht verändert. Gleichermaßen wird die Kontaktfläche zwischen flexiblem Leitungselement und Feder-Dämpfer-Element signifikant vergrößert. Das gestrickte Metallgewebe wird deutlich mehr in die Betriebsbewegungen miteinbezogen und seine Dämpfungswirkung steigt gegenüber dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel deutlich.
Ein drittes Ausführungsbeispiel (4) sieht anstelle des gestrickten Metallgewebes einen temperaturbeständigen, elastomeren Werkstoff (41) vor. Dieser Werkstoff kann z.B. mittels eines Extrusions- und Biegeverfahrens in eine überlappende Form (42) gebracht werden, deren Nebenelemente eine Umhüllung des flexiblen Leitungselements erzeugen und auf diese Weise gleichermaßen eine Isolationsfunktion übernehmen.
In weiteren Ausführungsbeispielen sind auch Kombinationen der beschriebenen Varianten realisierbar, die als Feder-Dämpfer-Elemente entweder im Bereich der Abgasanlagen oder aber in technologisch benachbarten Bereichen Einsatz finden können. Als mögliche weitere Anwendungsfelder werden beispielhaft stationäre Motoren und Turbinen, Kraftwerke sowie die Klimatechnik genannt.

Claims

Anordnung aus einem Feder-Dämpfer-Element und einem flexiblen Leitungselement (21, 31), dadurch gekennzeichnet, dass - das Feder-Dämpfer-Element ein schlauchförmiges, dämpfendes Material (12, 41) aufweist, welches eine schraubengangförmige Torsionsfeder (11) in Bezug auf den Umfang im Wesentlichen umschließt; - das Feder-Dämpfer-Element das flexible Leitungselement (21, 31) an dessen Außenseite umgibt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schlauchförmige, dämpfende Material (12) ein gestricktes Metallgewebe ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schlauchförmige, dämpfende Material (12) eine Kombination aus gestricktem Metallgewebe mit Fäden unterschiedlichen Materials ist und vorzugsweise temperatur- und korrosionsbeständiger Stahl, Kupfer, Glasfaser, Glasseide und/oder Wolfram als Fadenwerkstoffe zum Einsatz kommen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schlauchförmige, dämpfende Material (41) ein durch Extrusion hergestelltes, temperaturbeständiges Kunststoff-Profil ist und - elastomere Werkstoffe, - glasfaserverstärkte Werkstoffe, - präkeramische oder keramische Werkstoffe, - Compound-Werkstoffe und/oder - Composite-Werkstoffe zum Einsatz kommen können.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche (22) der Torsionsfeder (11) nicht durch das dämpfende Material umschlossen sind, einen punkt- oder linienförmigen Kontakt mit den rohrförmigen Endbereichen (23) des flexiblen Leitungselements (21) haben, und vorzugsweise stoffschlüssig, ebenfalls punkt- oder linienförmig mit den rohrförmigen Endbereichen (23) verbunden sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Feder-DämpferElementes vor dem Zusammenbau kleiner ist als der Außendurchmesser des flexiblen Leitungselements (21, 31) im Kontaktbereich, so dass das zusammengebaute System unter Vorspannung steht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Feder-Dämpfer-Element als auch die Außenkontur des flexiblen Leitungselements (31) im Kontaktbereich eine schraubengangförmige Geometrie aufweisen, und das Feder-Dämpfer-Element derart in den Wellentälern (32) des flexiblen Leitungselements positioniert ist, dass sich der maximale Außendurchmesser des Gesamtsystems gegenüber dem maximalen Außendurchmesser des flexiblen Leitungselements (31) nicht vergrößert.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Feder-Dämpfer-Element und flexibles Leitungselement (31) vor dem Zusammenbau im Schraubengang die gleiche Steigung haben.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Feder-Dämpfer-Element und flexibles Leitungselement (31) vor dem Zusammenbau im Schraubengang unterschiedliche Steigungen aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Leitungselement (21) ein Metallbalg ist, und dass das Feder-Dämpfer-Element auf dem Metallbalg mit symmetrisch zur Rotationsachse ausgeführten Wellungen so angeordnet ist, dass der maximale Außendurchmesser des Gesamtsystems um zweimal den Durchmesser des Feder-Dämpfer-Elements vergrößert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Feder-Dämpfer-Element auf dem flexiblen Leitungselement (21) mit schraubengangförmig ausgeführten Wellungen so angeordnet ist, dass der maximale Außendurchmesser des Gesamtsystems um zweimal den Durchmesser des Feder-Dämpfer-Elements vergrößert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus Feder-Dämpfer-Element und flexiblem Leitungselement (21, 31) mit einer festen Umhüllung umgeben ist, beispielsweise mit einem Drahtgeflecht (Braiding) oder mit einem ein- oder mehrteiligen dünnen Blech.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus Feder-Dämpfer-Element und flexiblem Leitungselement (21, 31) mit einer Schalldämmung umgeben ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Russfilter enthält.