DE10248585A1

DE10248585A1 - Verbindungselement für schwingbeanspruchte Rohrleitungen

Info

Publication number: DE10248585A1
Application number: DE10248585A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Baumhoff; Marcus Hupertz; Frank Dipl.-Ing. Bender; Stefan Dr.-Ing. Hauk
Original assignee: Westfalia Metallschlauchtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Westfalia Metallschlauchtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-04-29

Abstract

Zur Verbindung von schwingbeanspruchten Rohrleitungen, für die Abgasleitungen in Kraftfahrzeugen typische Ausführungsbeispiele sind, wird ein vorzugsweise dreiteiliges Verbindungselement eingesetzt. Die vorgestellte Lösung erlaubt einen einfachen Zusammenbau der in den Anschlußbereichen schraubengangförmig ausgeführten Einzelelemente, der auf einfache Weise automatisierbar ist und somit leicht in einen industriellen Wertschöpfungsprozeß integriert werden kann. Ferner sind den Einzelelementen Funktionen zugeordnet, die eine optimale schwingungstechnische Auslegung des Gesamtsystems, insbesondere für moderne kompressor- oder turbounterstützte Verbrennungsmotoren, erlauben. Das Innenteil ist ein mehrlagiger Schlauch aus profiliertem Bandmaterial, der schraubengangförmig gewickelt ist und eine radial nach außen stehende, ebenfalls schraubengangförmige Schuppe aufweist. Letztere ermöglicht den axial und radial fixierten Anschluß eines torsionsfederartigen Zwischenelementes, welches geeignete Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften hat, die eine schwingungstechnische Entkopplung der beiden zu verbindenden Rohrleitungen ermöglicht. Auf dem Zwischenelement ist ein Außenelement adaptiert. Dieses Außenelement soll die Leckströme des Verbindungselementes bis hin gegen Null minimieren. Axial werden die beschriebenen Bauformen des Verbindungselementes vorzugsweise durch Anschlußflansche begrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für schwingbeanspruchte Rohrleitungen, für die Abgasleitungen in Kraftfahrzeugen typische Ausführungsbeispiele sind.
Die Aufgabe solcher Verbindungselemente besteht darin, schwingbeanspruchte Rohrleitungen flexibel miteinander zu verbinden und dabei schwingungstechnisch weitgehend zu entkoppeln. Sie bestehen in der Regel aus zwei Rohrstücken, die mit jeweils einer Rohrleitung fest verbunden werden. Untereinander sind die Rohrstücke in vielen Fällen über Metallbälge und Dämpfungselemente miteinander verbunden, wie es beispielhaft in DE 43 18 343 A1 dargestellt ist. Dabei nimmt das Dämpfungselement nur einen kleinen Teil der axialen Ausdehnung der Vorrichtung ein. Die Einzelelemente sind lokal, meist an den Anfangs- und Endpunkten ihrer axialen Ausdehnung bzw. in den Bereichen der Anschlußflansche, miteinander verbunden.
Eine weitere Bauform eines Leitungselementes wird in DE 198 20 863 A1 gezeigt. Es besteht aus einem inneren Metallschlauch und einem dazu koaxial außen angeordneten Metallbalg. Beide Elemente sind auch hier in den Anfangs- und Endpunkten ihrer axialen Ausdehnung bzw. in den Bereichen der Anschlußflansche, miteinander verbunden. Ferner sind Schlauch und Balg an definierten Stellen in radialem Kontakt zueinander, welcher beispielsweise durch eine umformtechnisch erzielte Aufweitung des Schlauchdurchmessers oder aber durch eine entsprechend hergestellte Reduktion des Balgdurchmessers erzielt wird. Dieser lokale radiale Kontakt stellt die koaxiale Ausrichtung der Elemente zueinander sicher. Ein Dämpfungselement ist in dieser Anordnung nicht vorgesehen.
Die Verwendung von beispielhaft oben beschriebenen entkoppelnden Verbindungselementen in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen entspricht dem Stand der Technik. Moderne Motorenkonzepte haben jedoch oftmals hochfrequent drehende Kompressoren oder Turbolader und besitzen Ventilsteuerungen, die in vielen Fällen zu hochfrequenten Abgasimpulsen führen. Diese Entwicklung erfordert die Entkopplung von immer höheren Schwingungsfrequenzen durch entsprechende Elemente im Abgasstrang. Dies ist insofern schwierig, als daß die Verbindungselemente selbst ab einer Grenzfrequenz von ca. 250 Hz zu Eigenschwingungen angeregt werden können, was zu Geräuschproblemen und Einschränkungen in der Lebensdauer führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein entkoppelndes Verbindungselement für Rohrleitungen so auszubilden, daß eine optimale koaxiale Ausrichtung der Einzelelemente zueinander in Verbindung mit einem vereinfachten Montageprozeß möglich ist. Um möglichst homogene Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften über der gesamten axialen Ausdehnung des Verbindungselements zu erreichen, soll die koaxiale Anordnung der Einzelelemente durch definierte, gleichmäßig verteilte, radial und axial fixierende Anschlußstellen über deren gesamter axialen Ausdehnung erzielt werden. Eine weitere, mit der geeigneten geometrischen Gestaltung einhergehende Aufgabe der Erfindung ist es, ein entkoppelndes Verbindungselement für Rohrleitungen so auszubilden, daß eine definierte schwingungs- und dämpfungstechnische Auslegung möglich ist, bei der neben den Betriebsschwingungen bzw. deren Entkopplung ferner eine einfache Auslegung im Hinblick auf Eigenschwingungen möglich ist.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen dreiteiligen radialen Aufbau des Mittelteils gelöst. Ferner wird die Vorrichtung durch zwei Anschlußflansche axial begrenzt. 1 zeigt den schematischen Aufbau.
Das Innenteil ist ein mehrlagiger Schlauch aus profiliertem Bandmaterial (1), der schraubengangförmig gewickelt ist und eine radial nach außen stehende, ebenfalls schraubengangförmige Schuppe aufweist.
Auf dieser Schuppe ist ein torsionsfederartiges Zwischenelement (2) durch eine drehende Relativbewegung montierbar. Das Zwischenelement (2) kann in unterschiedlichen Geometrien beispielsweise aus metallischen, elastomeren, glasfaserverstärkten, keramischen oder aber aus Verbund-, Compound- bzw. Composite-Werkstoffen bestehen und hat ferner geeignete Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften, die eine schwingungstechnische Entkopplung der beiden zu verbindenden Rohrleitungen ermöglicht. 5 zeigt beispielhaft unterschiedliche Bauformen von Zwischenelementen im Querschnitt. In den 3 und 6 sind weitere mögliche geometrische Ausführungen des Zwischenelements (2) dargestellt. Durch eine geeignete geometrische Gestaltung, welche einen ständigen Kontakt der torsionsfederartigen Windungen untereinander vorsieht, weisen diese Elemente eine verbesserte Isolierung gegen Konvektion und Wärmestrahlung auf.
Auf dem Zwischenelement ist ein Außenelement (3), ebenfalls radial und axial fixiert, adaptiert. Dieses Außenelement kann beispielsweise in unterschiedlichen Geometrien aus metallischen, elastomeren, glasfaserverstärkten, keramischen oder aber aus Verbund-, Compound- bzw. Composite-Werkstoffen bestehen und soll die Leckströme des Verbindungselementes bis hin gegen Null minimieren.
Der bisher beschriebene Aufbau ist durch Koaxialität gekennzeichnet. Die Einzelelemente (1), (2) und (3) sind bedingt durch ihre schraubengangförmige Geometrie miteinander montierbar. In einem idealen Fall sind die Steifigkeitsund Dämpfungseigenschaften des Metallschlauchs (1) sowie des Außenelements (3) gegenüber denen des Zwischenelements (2) vernachlässigbar, so daß die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften der gesamten Vorrichtung im wesentlichen durch die Eigenschaften des Zwischenelements bestimmt werden und durch eine geeignete Verbundbauweise des letzteren aus metallischen (Steifigkeit) und elastomeren (Dämpfung) Werkstoffen sowie eine geeignete geometrische Gestaltung gezielt auf den Anwendungsfall angepaßt werden können. Der Metallschlauch (1) im Inneren hat somit die Hauptaufgabe, die durchströmenden Medien turbulenzfrei zu leiten. Das Zwischenelement (2) stellt zudem sicher, daß ein definierter Luftspalt zwischen dem Metallschlauch (1) und dem Außenelement (3) vorliegt, der zur Verbesserung der Wärmeisolierung beiträgt.
Die Montage und axiale Ausrichtung der Elemente (1), (2) und (3) erfolgt durch drehende Relativbewegung. Zum Anschluß an die schwingungsbeanspruchten Rohrleitungen werden die genannten Elemente mit einem geeigneten Flanschaufbau (4 – 7) ausgestattet. Die Innen- und Außenringe (4) und (5) werden vorzugsweise schweißtechnisch mit dem Metallschlauch (1) verbunden. Mit den Elementen (6) und (7) wird im dargestellten Beispiel eine Vorspannung des Außenelements (3) erreicht.
In einer alternativen Konfiguration kann das Zwischenelement ausgelassen und das Innenteil direkt mit einem im Anschlußbereich schraubengangförmigen Außenteil verbunden werden.
Eine weitere alternative Konfiguration sieht Metallschläuche sowohl als Innenelement als auch als Außenelement vor. Die am Innenelement radial nach außen weisenden Schuppen und die am Außenelement radial nach innen wei senden Schuppen greifen schraubengangförmig ineinander und ermöglichen so eine definierte Luftspaltisolierung zwischen den beiden Schläuchen.
Eine dritte alternative Konfiguration gemäß 4 sieht über der gesamten Vorrichtung zwei in den jeweiligen Flanschbereichen angeschlossene, tulpenförmige Adaptionselemente (8) vor, welche die Vorrichtung gegen äußere Einflüsse schützen.

Claims

Verbindungselement für schwingbeanspruchte Rohrleitungen, insbesondere für Abgasleitungen in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente eines im Mittenbereich dreiteiligen Aufbaus, in der Regel ein Metallschlauch (1), ein Zwischenelement (2) sowie ein Außenelement (3), schraubengangförmige, am jeweiligen Element radial innen- bzw. außenliegende Anschlußbereiche aufweisen und durch drehende Relativbewegung koaxial zueinander und mit gleichmäßig über der gesamten axialen Ausdehnung angeordneten Kontaktstellen montiert sowie radial und axial zueinander fixiert werden. (1)
Verbindungselement für schwingbeanspruchte Rohrleitungen nach Anspruch 1, insbesondere für Abgasleitungen in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente eines im Mittenbereich in diesem Fall nicht dreiteiligen, sondern zweiteiligen Aufbaus, in der Regel ein Metallschlauch (1) sowie ein Außenelement (3), schraubengangförmige, am jeweiligen Element radial innen- bzw. außenliegende Anschlußbereiche aufweisen und durch drehende Relativbewegung koaxial zueinander und mit gleichmäßig über der gesamten axialen Ausdehnung angeordneten Kontaktstellen montiert sowie radial und axial zueinander fixiert werden. (2)
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle beschriebenen Bauformen des Verbindungselementes axial durch geeignete Anschlußflansche begrenzt werden. (1–4)
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Fixierung durch geeignete kraft- oder formschlüssige Adaptionselemente erzielt wird.
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das torsionsfederartige Zwischenelement (2) aus metallischen, elastomeren, glasfaserverstärkten, keramischen oder aber aus Verbund-, Compound- bzw. Composite-Werkstoffen besteht und das dieses in einer geeigneten geometrischen Ausführung gestaltete Zwischenelement (2) die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften des gesamten Verbindungselements maßgeblich beeinflußt. (5)
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das torsionsfederartige Zwischenelement (2) aus metallischen, elastomeren, glasfaserverstärkten, keramischen oder aber aus Verbund-, Compound- bzw. Composite-Werkstoffen besteht und durch eine geeignete geometrische Gestaltung, welche einen ständigen Kontakt der torsionsfederartigen Windungen untereinander vorsieht, eine verbesserte Isolierung gegen Konvektion und Wärmestrahlung aufweist. (3, 6)
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das torsionsfederartige Zwischenelement (2) zunächst aus einer ebenen, bandförmigen Profilgeometrie besteht und erst bei der Montage auf den schraubengangförmigen Anschlußbereich des Metallschlauchs seine torsionsfederartige Geometrie erhält.
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenelement (3) aus metallischen, elastomeren, glasfaserverstärkten, keramischen oder aber aus Verbund-, Compound- bzw. Composite-Werkstoffen besteht und die Leckströme des gesamten Verbindungselementes bis hin gegen Null minimiert.
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenelement (3) zunächst aus einer ebenen, bandförmigen Profilgeometrie besteht und erst bei der Montage auf das torsionsfederartige Zwischenelement (2) seine finale geometrische Gestalt erhält.
Verbindungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenelement (3) ebenfalls ein Metallschlauch ist, der radial innenliegende, schraubengangförmig gewickelte Anschlußbereiche aufweist.
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über der gesamten Vorrichtung zwei in den jeweiligen Flanschbereichen angeschlossene, tulpenförmige Adaptionselemente (8) angeordnet sind, welche die Vorrichtung gegen äußere Einflüsse schützen. (4)