DE102007030942A1 - Gebautes Metallrohr - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein gebautes Metallrohr, einen Rohling für ein derartiges Metallrohr, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Metallrohrs sowie eine mit einem derartigen Metallrohr ausgestattete Abgasanlage.
- Metallrohre finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung, bevorzugt zum Führen von gasförmigen oder flüssigen Fluiden. Insbesondere kommen derartige Metallrohre bei Abgasanlagen zur Anwendung, um Verbrennungsabgase einer Brennkraftmaschine abzuführen. Um eine dreidimensional orientierte Führung für das jeweilige Fluid realisieren zu können, kann ein derartiges Metallrohr aus gebogenen und aus nicht gebogenen, geradlinigen Abschnitten bestehen.
- Rohre werden üblicherweise aus einem ebenen Bahnenmaterial hergestellt, indem das Bahnenmaterial zylindrisch umgeformt und am Stoß verschweißt wird. Rohre bestehen insbesondere somit aus einem Stück. Ferner besitzen so hergestellte Rohre in Umfangsrichtung stets eine konstante Wandstärke. Beim Herstellen eines gebogenen Rohrs kommt es beim Biegeumformen am Bogeninnenradius zu einer Stauchung und am Bogenaußenradius zu einer Dehnung. In der Folge nimmt die Wandstärke im Bereich des Bogeninnenradius gegenüber der ursprünglichen Wandstärke zu, während sie im Bereich des Bogenaußenradius gegenüber der ursprünglichen Wandstärke abnimmt. Lediglich im Bereich einer Neutrallinie bleibt die Wandstärke gleich. Bei vielen Anwendungen ist eine Mindestwandstärke einzuhalten, beispielsweise um eine gewünschte Druckstabilität und Lebensdauer für das jeweilige Rohr erzielen zu können. Da die Wandstärke im Bereich des Bogenaußenradius am kleinsten ist, erfolgt die Auslegung der Wandstärke in Abhängigkeit dieser Biegeverformung, um am Bogenaußenradius die gewünschte Mindestwandstärke einhalten zu können. Dies bedeutet, dass das jeweilige Rohr hinsichtlich seiner Wandstärke außerhalb des Bereichs des äußeren Bogenradius überdimensioniert ist.
- Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Metallrohr, beziehungsweise eine damit ausgestattete Abgasanlage vorteilhafte Möglichkeiten anzugeben, die sich insbesondere durch einen reduzierten Materialaufwand und somit insbesondere durch ein reduziertes Bauteilgewicht auszeichnen.
- Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Metallrohr aus mehreren, jeweils für sich hergestellten Rohrabschnitten zusammenzubauen, wobei ein Rohrabschnitt, der beim fertigen Metallrohr einen Bogen bildet beziehungsweise gebogen ist, so hergestellt wird, dass er in Umfangsrichtung einen Wandstärkeverlauf aufweist, bei dem die Wandstärke in Umfangsrichtung so variiert, dass sie die beim Biegeumformen auftretenden Stauchungen und Dehnungen dahingehend berücksichtigt, dass sich die Abweichungen der Wandstärken in der Umfangsrichtung zumindest teilweise egalisieren. Im Idealfall besitzt der gebogene Rohrabschnitt zumindest in der Mitte des Bogens in der Umfangsrichtung eine konstante Wandstärke. Durch die gezielte Berücksichtigung der während der Biegeumformung auftretenden Materialdehnungen und Stauchungen kann die Wandstärke des Rohrs auch außerhalb des dem äußeren Bogenradius zugeordneten Bereichs optimiert werden. Insgesamt lässt sich somit die mittlere Wandstärke des Metallrohrs reduzieren, wodurch insgesamt weniger Metall benötigt wird, was gleichzeitig das Gewicht des Rohrs reduziert.
- Sofern der weiter oben beschriebene Idealfall mit konstanter Wandstärke in Umfangsrichtung nicht erreicht wird, so wird bei der Erfindung für den jeweiligen gebogenen Rohrabschnitt zumindest für die Mitte des Bogens ein Wandstärkeverlauf erreicht, bei dem die Wandstärke in der Umfangsrichtung innerhalb eines Wandstärkeintervalls liegt. Bei der erfindungsgemäßen Bauweise ist dieses Intervall enger als bei einem vergleichbaren gebogenen Rohrabschnitt, der im nicht umgeformten Zustand in der Umfangsrichtung eine im Wandstärkeintervall liegende, konstante Wandstärke aufweist. Das bedeutet, dass durch die vorgeschlagene Bauweise die extremen Wandstärkenunterschiede am Bogeninnenradius und am Bogenaußenra dius signifikant reduziert werden im Vergleich zu einer Herstellung des jeweiligen Rohrabschnitts aus einem geradlinigen Rohr mit in Umfangsrichtung konstanter Wandstärke. Im genannten Idealfall konvergiert das Wandstärkenintervall auf die gewünschte ideale Wandstärke, die dann in der Umfangsrichtung konstant ist.
- Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
- Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
- Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Metallrohr-Rohling, -
2 bis6 unterschiedliche Querschnitte des Rohlings entsprechend Schnittlinien A bis E in1 , -
7 eine stark vereinfachte prinzipielle Ansicht eines gebogenen Metallrohrs, -
8 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen Rohrabschnitt des Metallrohrs, im nicht umgeformten Zustand, -
9 eine Ansicht wie in8 , jedoch im biegeumgeformten Zustand, -
10 und11 Ansichten wie in den8 und9 , jedoch bei einem Rohrabschnitt gemäß dem Stand der Technik. - Entsprechend
1 besteht ein Rohling1 für ein in7 dargestelltes Metallrohr2 aus zumindest zwei separat voneinander hergestellten geradlinigen Rohrabschnitten3 . Im Beispiel umfasst der Rohling1 ohne Beschränkung der Allgemeinheit fünf derartige Rohrabschnitte3 . Diese sind im Folgenden zusätzlich mit A bis E bezeichnet. Die einzelnen Rohrabschnitte3 sind separat voneinander hergestellt und axial aneinander befestigt. Beispielsweise können je zwei Rohrabschnitte3 an ihren axialen Stirnseiten miteinander verschweißt sein. Hierbei eignet sich insbesondere ein Reibschweißverfahren oder ein Laserschweißverfahren. Zumindest einer dieser Rohrabschnitte3 , hier die Rohrabschnitte B und D, besitzen eine Wandstärke4 , die in Umfangsrichtung variiert. Im Unterschied dazu können die anderen Rohrabschnitte3 , hier die Rohrabschnitte A, C und E, in der Umfangsrichtung konstante Wandstärken4 aufweisen. Die einzelnen Rohrabschnitte3 können aus gleichen oder aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sein. Denkbar sind z. B. Austenite und Ferrite oder weichere Werkstoffe für die umzuformenden Rohrabschnitte3 und härtere bzw. preiswertere Werkstoffe für Rohrabschnitte3 , die nicht umgeformt werden. - Die
2 bis6 zeigen Querschnitte der einzelnen Rohrabschnitte A bis E. Erkennbar ist in den Rohrabschnitten A, C und E die Wandstärke4 in der Umfangsrichtung konstant, während sie bei den Rohrabschnitte B und D in der Umfangsrichtung variiert. In den Beispielen zeigen die Rohrabschnitte B und D dabei eine bevorzugte Konfiguration, bei welcher die Wandstärke4 ausgehend von einem Minimum in der Umfangsrichtung bis zu einem Kreisbogen von 180° bis zu einem Maximum, vorzugsweise gleichmäßig oder stufenlos, zunimmt und anschließend wieder bis zum Minimum, bevorzugt gleichmäßig oder stufenlos, abnimmt. Bei den verschiedenen Rohrabschnitten B und D kann die relative Drehlage zu den benachbarten Rohrabschnitten A, C und E unterschiedlich gewählt sein. Beispielsweise befinden sich im Schnitt gemäß1 beim Rohrabschnitt B das Minimum der Wandstärke4 links und das Maximum der Wandstärke4 rechts, während beim Rohrabschnitt D links das Maximum der Wandstärke4 und rechts das Minimum der Wandstärke4 zu finden sind. - Da der Rohling
1 aus einzelnen, separat hergestellten Rohrabschnitten3 zusammengebaut ist, handelt es sich beim Rohling1 um einen gebauten Rohling. Ferner sind die Rohrabschnitte3 jeweils aus einem Metallwerkstoff hergestellt, so dass der damit zusammengebaute Rohling1 auch als Metallrohling bezeichnet werden kann. Dementsprechend handelt es sich bei dem mit Hilfe des Rohlings1 hergestellten Rohr2 um ein gebautes Metallrohr. - Gemäß
7 charakterisiert sich dieses gebaute Metallrohr2 ebenfalls durch mehrere separat voneinander hergestellte, aneinander befestigte Rohrabschnitte3 beziehungsweise A bis E, die im Unterschied zum Rohling1 nicht alle geradlinig sind, sondern zumindest einen gebogenen Rohrabschnitt3 umfassen. Ebenso können alle Rohrabschnitte3 gebogen sein. Im Beispiel sind nur die Rohrabschnitte B und D gebogen, wobei sie exemplarisch in unterschiedlichen Richtungen gebogen sind. Die Biegeumformungen können dabei grundsätzlich räumlich beliebig orientiert sein. -
8 zeigt einen der gebogenen Rohrabschnitte B, D im nicht umgeformten Zustand. Erkennbar besitzt dieser Rohrabschnitt3 eine in der Umfangsrichtung variierende Wandstärke. Außerdem besitzt der gezeigte Rohrabschnitt3 im Schnitt gemäß8 links eine größere Wandstärke4 als rechts. Beispielsweise ist die Schnittebene hier so gelegt, dass sie links durch das Maximum der Wandstärke4 geht, während sie sich rechts durch das Minimum der Wandstärke4 erstreckt. - Beim Biegeumformen dieses Rohrabschnitts
3 kommt es am Biegeinnenradius Ri zu einer Stauchung, während am Bogenaußenradius Ra eine Dehnung erfolgt. Im Bereich der Stauchung kann sich die Wandstärke4 vergrößern, während sie im Bereich der Dehnung abnimmt.9 zeigt den Rohrabschnitt B beziehungsweise D nach dem Biegeumformen, also bei hergestelltem Bogen. Erkennbar hat die Wandstärke4 im Bereich des Bogenaußenradius Ra gegenüber dem nicht umgeformten Zustand gemäß8 abgenommen. Gleichzeitig hat die Wandstärke4 im Bereich des Bogeninnenradius Ri nicht oder nur geringfügig zugenommen. Es ist klar, dass9 einen Idealzustand darstellt, der bei realen Umformvorgängen nicht oder nur sehr schwer erreichbar ist. - Zur Verdeutlichung des beim erfindungsgemäß realisierten Umformvorgangs erreichten Vorteils zeigen die
10 und11 einen Umformvorgang bei einem Rohrabschnitt3' , dessen Wandstärke4 im nicht umgeformten Zustand gemäß10 in der Umfangsrichtung einen konstanten Verlauf aufweist. Durch die Biegeverformung ergibt sich die in11 übertrieben dargestellte Situation. Die Dehnung im Bereich des Bogenaußenradius Ra führt zu einer entsprechenden Materialverdünnung, wodurch die Wandstärke4 entsprechend abnimmt. Im Unterschied dazu führt die Stauchung im Bereich des Bogeninnenradius Ri zu einer Materialverdickung, wodurch die Wandstärke4 entsprechend zunimmt. - Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung von Rohrabschnitten
3 , deren Wandstärke4 im nicht umgeformten Zustand in der Umfangsrichtung auf bestimmte Weise variiert, lässt sich gemäß den8 und9 eine gleichmäßigere Wandstärkenverteilung in der Umfangsrichtung erzielen. Beispielsweise wird hierdurch erreicht, dass zumindest in der Mitte des Bogens innerhalb des jeweiligen Rohrabschnitts3 die Wandstärke4 in der Umfangsrichtung innerhalb eines Wandstärkenintervalls schwankt. Dieses Wandstärkenintervall ist bei der Verwendung der Rohrabschnitte B, D, deren Wandstärke4 in der Umfangsrichtung auf gezielte Weise variiert, deutlich enger als bei einem vergleichbaren gebogenen Rohrabschnitt3' , wie er beispielsweise in11 dargestellt ist. Dieser gebogene Rohrabschnitt3' besitzt im Bereich des Bogenaußenradius Ra eine sehr kleine Wandstärke, während er im Bereich des Bogeninnenradius Ri eine relativ große Wandstärke4 aufweist. Dieses stark unterschiedlichen Wandstärken4 definieren das Wandstärkenintervall dieses Rohrabschnitts3' gemäß11 . Wie zuvor erläutert ist dieser gebogene Rohrabschnitt3' aus dem in10 dargestellten nicht umgeformten Rohrabschnitt3' hergestellt, der sich durch eine in der Umfangsrichtung konstante Wandstärke4 charakterisiert. Diese Wandstärke4 liegt dabei im Wandstärkenintervall des in9 gezeigten gebogenen Rohrabschnitts3 . Zusammenfassend bedeutet dies, dass mit Hilfe einer gezielt variierenden Wandstärkenverteilung entlang der Umfangsrichtung nach dem Biegeumformen ein relativ gleichmäßiger Wandstärkenverlauf entsteht, der im Idealfall eine konstante Wandstärke4 aufweist. - Die Rohrabschnitte
3 können grundsätzlich auf eine beliebige, geeignete Weise hergestellt sein. Bevorzugt ist zumindest einer der Rohrabschnitte3 aus einem profilgewalzten Bahnenmaterial hergestellt. Hierzu wird das profilgewalzte Bahnenmaterial zylindrisch beziehungsweise rohrförmig umgeformt und an den in der Umfangsrichtung aneinanderstoßenden Kanten verschweißt. Beim Profilwalzen des Bahnenmaterials kann gezielt die jeweils für die Umfangsrichtung gewünschte Wandstärkenverteilung im Bahnenmaterial berücksichtigt werden, wodurch die mit dem gewünschten Wandstärkenverlauf ausgebildeten Rohrabschnitte3 vergleichsweise preiswert herstellbar sind. Grundsätzlich ist es alternativ auch möglich, zumindest einen der Rohrabschnitte3 als Gussteil so herzustellen, dass er im nicht umgeformten Zustand die in der Umfangsrichtung variierende Wanddicke4 aufweist. - Wie erläutert, besitzt der jeweilige gebogene Rohrabschnitt B, D zumindest in der Mitte des jeweiligen Bogens in der Umfangsrichtung eine im wesentlichen konstante Wandstärke
4 . Es ist klar, dass dieses Ziel bei realen Umformvorgängen nicht oder nur unzulänglich erreichbar ist. In jedem Fall wird jedoch gegenüber einer Biegeumformung eines Rohrkörpers3' mit in Umfangsrichtung konstanter Wandstärke4 eine Verbesserung hinsichtlich einer gleichmäßigeren Wanddickenverteilung in der Umfangsrichtung erzielt. - Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Metallrohr
2 gemäß7 ein Abgasrohr für eine Abgasanlage5 einer Brennkraftmaschine sein, die insbesondere in einem Kraft fahrzeug angeordnet sein kann. Dementsprechend kann eine erfindungsgemäße Abgasanlage5 , die bei einer Brennkraftmaschine dafür verwendet wird, Abgase von der Brennkraftmaschine abzuführen, mit wenigstens einem derartigen gebauten Metallrohr2 ausgestattet sein.7 deutet hierbei eine Abgasanlage5 an, bei welcher das Metallrohr2 zur Abgasführung zum Einsatz kommt. Beispielsweise kann das Metallrohr2 einerseits an eine Komponente6 und andererseits an eine Komponente7 angeschlossen sein. Bei der Komponente6 kann es sich beispielsweise um eine Brennkraftmaschine, einen Abgaskrümmer oder einen motornah angeordneten Oxidationskatalysator handeln. Bei der Komponente7 kann es sich beispielsweise um einen Schalldämpfer, um ein Partikelfilter oder um einen Katalysator handeln. Grundsätzlich kann das Metallrohr2 an jeder beliebigen Stelle der Abgasanlage5 einen gasführenden Abschnitt bilden. - Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäß gebauten Metallrohrs
2 kann darin gesehen werden, dass es gegenüber herkömmlichen Rohren bei gleicher minimaler Wandstärke insgesamt leichter ist und dadurch aufgrund des reduzierten Materialeinsatzes resourcenschonend herstellbar ist. Darüber hinaus führt gerade bei Kraftfahrzeugen ein reduziertes Gewicht zu einer Kraftstoffeinsparung - Um ein derartiges zumindest einfach gebogenes Metallrohr herzustellen, kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden:
Zunächst wird für jeden Bogen, den das fertige Metallrohr2 aufweisen soll, in Abhängigkeit der Bogengeometrie, also z. B. in Abhängung des Bogenwinkels und/oder des Biegeradius, ein Roh-Wandstärkeverlauf in der Umfangsrichtung ermittelt. Hierfür können entsprechende Rechenmodelle verwendet werden. Besagter Roh-Wandstärkeverlauf wird dabei so bestimmt, dass ein nicht umgeformter Rohrabschnitt3 diesen Roh-Wandstärkeverlauf aufweisen muss, damit beim Biegeverformen im Bereich des Bogens ein gewünschter End-Wandstärkeverlauf in der Umfangsrichtung entsteht. Gewünscht ist beispielsweise der in9 gezeigte ideale End-Wandstärkeverlauf, bei dem der gebogene Rohrabschnitt3 in der Umfangsrichtung eine im wesentlichen konstante Wandstärke4 aufweist. Der hierzu passende Roh-Wandstärkeverlauf ist zum Beispiel bei dem in8 gezeigten nicht umgeformten Rohrabschnitt3 realisiert. - In einem nächsten Schritt werden die jeweiligen nicht umgeformten Rohrabschnitte
3 mit den ermittelten Roh-Wandstärkeverläufen in der Umfangsrichtung hergestellt, zum Beispiel durch Profilwalzen, oder aus einem bereits vorab hergestellten Sortiment nach Art eines Baukastensystems ausgewählt. Anschließend werden zumindest zwei nicht umgeformte Rohrabschnitte3 axial aneinander befestigt, beispielsweise mittels eines entsprechenden Schweißvorgangs. Hierbei ist es insbesondere möglich und gegebenenfalls sinnvoll, die Befestigung der Rohrabschnitte3 aneinander so auszuführen, dass eine im fertigen Metallrohr2 erwünschte Orientierung der jeweiligen Bögen bereits berücksichtigt wird. Dementspre chend können sich unterschiedliche Drehlagen für die mit der variierenden Wandstärke4 versehenen Rohrabschnitte3 ergeben, wie dies beispielsweise in1 dargestellt ist. Nach diesem Schritt liegt der in1 gezeigte Rohling1 vor. - Anschließend werden die mit den Roh-Wandstärkeverläufen versehenen Rohrabschnitte
3 durch Biegen umgeformt, um den jeweiligen Bogen herzustellen. Im Beispiel gemäß7 werden somit die Rohrabschnitte B und D umgeformt, während die dazwischen liegenden beziehungsweise endseitigen Rohrabschnitte A, C, E im wesentlichen nicht umgeformt, also geradlinig bleiben.
Claims (10)
- Gebautes Metallrohr mit wenigstens zwei separat voneinander hergestellten, aneinander befestigten Rohrabschnitten (
3 ), von denen zumindest einer gebogen ist, wobei zumindest ein solcher gebogener Rohrabschnitt (3 ) aus einem Rohrabschnitt (3 ) durch Biegeumformung hergestellt ist, der im nicht umgeformten Zustand eine in der Umfangsrichtung variierende Wandstärke (4 ) aufweist. - Gebautes Metallrohr mit wenigstens zwei separat voneinander hergestellten, aneinander befestigten Rohrabschnitten (
3 ), von denen zumindest einer gebogen ist, wobei bei wenigstens einem gebogenen Rohrabschnitt (3 ) zumindest in der Mitte des Bogens in der Umfangsrichtung die Wandstärke (4 ) innerhalb eines Wandstärkenintervalls liegt, das enger ist als bei einem vergleichbaren gebogenen Rohrabschnitt (3' ), der im nicht umgeformten Zustand in der Umfangsrichtung eine im Wandstärkeintervall liegende, konstante Wandstärke (4 ) aufweist. - Metallrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Rohrabschnitte (
3 ) aus einem profilgewalzten Bahnenmaterial hergestellt ist. - Metallrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Rohrabschnitte (
3 ) als Gussteil so hergestellt ist, dass er im nicht umgeformten Zustand eine in Umfangsrichtung variierende Wandstärke (4 ) aufweist. - Metallrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem gebogenen Rohrabschnitt (
3 ) zumindest in der Mitte des Bogens in der Umfangsrichtung die Wandstärke (4 ) im wesentlichen konstant ist. - Metallrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (
2 ) ein Abgasrohr für eine Abgasanlage (5 ) einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, ist. - Rohling für ein gebautes Metallrohr (
2 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit wenigstens zwei separat voneinander hergestellten, aneinander befestigten geradlinigen Rohrabschnitten (3 ), wobei wenigstens einer dieser Rohrabschnitte (3 ) in Umfangsrichtung eine variierende Wandstärke (4 ) aufweist. - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem gebauten Rohr (
2 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6. - Verfahren zum Herstellen eines wenigstens einfach gebogenen Metallrohrs (
2 ), – bei dem für jeden Bogen in Abhängigkeit der Bogengeometrie ein Roh-Wandstärkeverlauf in Umfangsrichtung ermittelt wird, den ein nicht umgeformter Rohrabschnitt (3 ) aufweisen muss, damit beim Biegeumformen im Bereich des Bogens ein gewünschter End-Wandstärkeverlauf in Umfangsrichtung entsteht, – bei dem der jeweilige nicht umgeformte Rohrabschnitt (3 ) mit dem ermittelten Roh-Wandstärkeverlauf in Umfangsrichtung hergestellt beziehungsweise ausgewählt wird, – bei dem wenigstens zwei nicht umgeformte Rohrabschnitte (3 ) axial aneinander befestigt werden, – bei dem zumindest der mit dem ermittelten Roh-Wandstärkeverlauf versehene Rohrabschnitt (3 ) biegeumgeformt wird, um den jeweiligen Bogen herzustellen. - Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Rohrabschnitte (
3 ) mit einer eine Orientierung des jeweiligen Bogens berücksichtigenden relativen Drehlage aneinander befestigt werden.
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