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Süddeutsche Kühlerfabrik Julius Fr. Behr GmbH & Co. KG Mauserstr. 3, 7 Stuttgart 30
Patrone für Abgasreinigung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Patrone für Abgasreinigung, die aus einer aus Metallfolien gewickelten
Trägermatrix und einem die Trägermatrix aufnehmenden metallischen Mantel besteht.
Gemäss dieser zuvor genannten Gattung geht die Erfindung
aus von der deutschen Offenlegungsschrift 23 02 746, in der eine Trägermatrix mit glatten und
gewellten, spiralförmig aufgewickelten Metallfolien aus hochtemperaturfestern Stahl beschrieben ist. Danach
ist es auch bekannt, die aus Metallfolien aufgewickelte Trägermatrix unter Vorspannung in einen
Mantel einzubringen, um sie hinreichend axial zu fixieren. Diese Befestigungsmethode hat sich jedoch
im Hinblick auf die auftretenden mechanischen Beanspruchungen (starke Vibrationen) als unzureichend
erwiesen. In der deutschen Offenlegungsschrift 27 20 322 wird eine andere Befestigungsmöglichkeit
zwischen Trägermatrix und Mantel, nämlich durch Elektronenstrahlverschweissung, vorgeschlagen.
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Die als Schraubenlinie um den Umfang des Mantels verlaufende Schweissnaht bringt jedoch unter Umständen
eine Schwächung der Festigkeit des Mantel und ein Durchschneiden der Trägermatrix in Richtung des
Elektronenstrahles mit sich, und ferner bietet diese bekannte Konstruktion keine Möglichkeit, die
Trägermatrix gegenüber der äusseren Umgebung thermisch zu isolieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, zunächst eine feste, möglichst spaltfreie Verbindung
zwischen Trägermatrix und Mantel zu schaffen, die ein einwandfreies Verschweissen oder Verlöten
beider Teile erlaubt und somit eine axiale Fixierung der 'Trägermatrix im Mantel gewährleistet. Ferner
ist es Aufgabe der Erfindung, eine dermassen axial fixierte Trägermatrix auch thermisch nach
aussen zu isolieren. Schliesslich ist es Aufgabe der Erfindung, diese axiale Fixierung beider Teile
mit einem möglichst einfachen und wirtschaftlichen Herstellungsverfahren zu erzielen.
Die Lösung dieser Aufgabe liegt erfindungsgemäss darin, dass zwischen der Aussenflache der Trägermatrix
und der Innenfläche des Mantels ein Pressitz besteht und dass beide Teile im Bereich des Presssitzes
verschweisst oder verlötet sind. Dieser Presssitz ist eine wesentliche und entscheidende Voraussetzung
für die anschliessende einwandfreie Verschweissung oder Verlötung beider Teile.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäss Anspruch 1 erstreckt sich dieser
Pressitz über die gesamte Länge der Trägermatrix. Durch die Vielzahl von kurzen Schweissnahtabschnitten
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ergibt sich keine durchgehende einschneidende Schweissnaht, die den Mantel in seiner Festigkeit schwächen
oder die gesamte Matrix unter Umständen durchschneiden würde. Dennoch ist eine wirkungsvolle axiale
Fixierung der Trägermatrix im Mantel erreicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Pressitz nur auf zwei schmale
Flächenstreifen auf der Trägermatrix ausgedehnt ist und dass sich zwischen diesen Flächenstreifen
ein Ringspalt befindet, der vorzugsweise mit Luft angefüllt ist. Durch diesen Zwischenraum zwischen
Mantelinnenfläche und Trägermatrix-Aussenflache ergibt sich ein Isolationspolster, das die schnelle
Wärmeabfuhr aus dem Inneren der Trägermatrix nach aussen verhindert. Durch diese Isolation der heissen
Trägermatrix kann einer evtl. Brandgefahr infolge, eines zu heissen mit der erfindungsgemässen Patrone
ausgerüsteten Abgas-Katalysators vorgebeugt werden, der sich unterhalb, des Bodens eines Kraftfahrzeuges
in relativ geringer Entfernung vom Boden befindet, der unter Umständen leicht entflammbar sein kann.
Im Bereich des Pressitzes, der sich vorzugsweise unmittelbar an die Stirnseiten der Trägermatrix an-
schliesst, kann der Mantel mit der Trägermatrix verschweisst oder verlötet sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung gemäss Anspruch 4 ist der "Innendurchmesser
des Mantels unmittelbar vor den Stirnseiten der Trägermatrix dermassen stark eingezogen, dass sich
Anlageflächen am Mantel zur axialen Fixierung der Träger-
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matrix im Mantel bilden. Durch diese Ausbildung des Mantels, der zusätzlich im Bereich des ebenfalls vorgesehenen
Pressitzes noch verschweisst werden kann, ergibt sich eine formschlüssige Verbindung zwischen
Trägermatrix und Mantel.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht gemäss Anspruch 5 einen ovalen oder elliptischen
Querschnitt der Patrone vor. Dies kann besonders dann vorteilhaft sein, wenn diese Patronen als Abgaskatalysatoren
unter dem Karosserieboden von Kraftfahrzeugen angebracht werden und aus Gründen der katalytischen
Reaktion oder anderen Anforderungen heraus einen grösseren Querschnitt haben müssen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäss Anspruch 6 sieht eine stirnseitige Verschweissung
oder Verlötung der Trägermatrix vor. Hierdurch wird eine weitere axiale Fixierung der gesamten Trägermatrix,
also insbesondere auch ihrer weiter innen liegenden Lagen,gewährleistet, da sich durch die Verschweissung
bzw. Verlötung der einzelnen Metallfolien gegeneinander eine quasi feste Stirnseite ergibt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen
Patrone, d.h. ein Verfahren, das den erforderlichen Pressitz zwischen Trägermatrix und Mantel
herzustellen erlaubt.
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Durch dieses erfindungsgemässe Verfahren nach Anspruch
kann die Trägermatrix ohne Schwierigkeiten in den Mantel eingeführt werden und anschliessend durch das Einziehen
mit einem Ziehwerkzeug auf einen beliebig starken Presssitz mit dem Mantel gebracht werden. Durch dieses Einziehverfahren
lassen sich auch mehrere unterschiedliche Durchmesser und Durchmesserübergänge herstellen, wofür
lediglich ein entsprechend geformtes Ziehwerkzeug erforderlich ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäss Anspruch 8 stellt den Pressitz zwischen Trägermatrix
und Mantel durch Ringnuten her, die mit Hilfe von Rollen, die mehrfach um den Umfang des Mantels angeordnet
sein können, in den vorher zylindrischen Mantel eingerollt werden. Anschliessend wird die Trägermatrix
noch mit Spiel in den Mantel eingebracht, und der endgültige Pressitz wird durch axiales Stauchen des
Mantels dadurch erzielt, dass sich der Innendurchmesser der Ringnut hierbei verringert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäss Anspruch 9 sieht eine Herstellung der Patrone
nicht aus einem bereits fertigen Rohr, sondern aus einem ebenen Blechstück vor, das zunächst gerollt und
dann nach Aufnahme der Trägermatrix längs einer Mantellinie verschweisst wird. Dieses Verfahren bietet wirtschaftliche
Vorteile und gewährleistet ebenfalls den erforderlichen Pressitz.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäss Anspruch 10 sieht die Herstellung einer Patrone
mit ovalem oder elliptischem Querschnitt vor. Dazu wird zunächst die Trägermatrix zu einem spiralförmigen
kreiszylindrischen Körper aufgewickelt, und anschliessend durch zwei Werkzeuge mit schalenartigen,
ovalen bzw. elliptischen Formen in die ovale oder elliptische Querschnittsform gedrückt, d.h. abgeflacht.
Der Umfang der kreiszylindrischen Trägermatrix ist dabei so bemessen, dass er die geschlossene
Form beider Werkzeuge im zusammengefahrenen Zustand vollständig ausfüllt.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung gemäss Anspruch 11 betrifft ein Herstellungsverfahren
für die erfindungsgemässe Patrone mit ovalem Querschnitt, wobei der Mantel aus zwei miteinander
zu verschweissenden Halbschalen gebildet wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die fertige
Patrone, d.h. die mit dem Mantel verbundene Trägermatrix, an einem Werkzeug bzw. an einer Arbeitsstelle
hergestellt werden kann.
Nach einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel
gemäss Anspruch 12 wird zunächst nur die Trägermatrix mit ovalem Querschnitt in einer Presse ver
formt und danach der Presse für den weiteren Arbeits gang des.Verschweissens bzw. Verlötens entnommen, wo
bei die Spannbügel die Trägermatrix in ihrer ovalen Querschnittsform halten, bis diese durch das stirnseitige
Schweissen oder Verlöten verfestigt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung obiger Verfahren.
Danach ist der Aussendurchmesser der kreiszylindrischen
Trägermatrix so bemessen, dass der Umfang der oval-zylindrischen Trägermatrix mit dem
Umfang der Werkzeugformen bzw. der Mantelhalbschalen übereinstimmt, d.h. allseitig anliegt. Ferner weist
die kreiszylindrische Trägermatrix einen innenliegenden kreiszylindrischen Hohlraum auf, dessen halber
Umfang gleich dem geraden Abschnitt der Ovalform ist. Dieses Verfahren hat den grossen Vorteil, dass
die Trägermatrix für eine ovale Patrone zunächst zu einem kreiszylindrischen Körper spiralförmig aufgewickelt
werden kann, was fertigungstechnisch erheblich einfacher ist, als einen oval-zylindrischen
Körper zu wickeln. Die an den Wickelvorgang anschliessende Verformung des kreiszylindrischen Körpers in
einen oval-zylindrischen ergibt infolge der erwähnten Abstimmung der Abmessungen von Trägermatrix einerseits
und Werkzeugform andererseits keinerlei Beeinträchtigungen der Wabenstruktur der Trägermatrix.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine Halbansicht und einen Halbschnitt der erfindungsgemässen Patrone,
Figur la eine Stirnansicht der erfindungsgemässen
Patrone,
Figur Ib eine weitere Stirnansicht der erfindungsgemässen
Patrone mit abgewandeltem Querschnitt,
Figur 1 c einen Ausschnitt aus der Stirnfläche der erfindungsgemässen Patrone,
Figur 2 eine Halbansicht und einen Halbschnitt der erfindungsgemässen Patrone mit Ringspalt,
Figur 3 einen Halbschnitt und eine Halbansicht
der erfindungsgemässen Patrone mit Ringspalt und stirnseitig eingezogenem Mantel,
Figur 4 einen Halbschnitt und eine Halbansicht der erfindungsgemässen Patrone mit eingerollten
Ringnuten,
Figur 5 eine Darstellung des Einziehverfahrens,
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Figur 6 eine Darstellung eines weiteren Ummantelungsverfahrens,
Figur 7 eine Darstellung des Verfahrens zur Herstellung
einer erfindungsgemässen Patrone mit ovalem Querschnitt,
Figur 8 eine Darstellung des Verfahrens zur Herstellung einer Trägermatrix mit ovalem
Querschnitt.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemässe Patrone 10, die im
wesentlichen aus der Trägermatrix 12 und dem diese umgebenden Mantel 11 besteht. Zur axialen Fixierung ist der
Mantel 11 mit der Trägermatrix 12 durch eine Vielzahl von Schweissnahtabschnitten 15 verbunden, die vorzugsweise
durch Elektronenstrahl-Verschweissung hergestellt werden können. Die Trägermatrix 12 besteht vorzugsweise
aus spiralförmig aufgewickelten abwechselnd angeordneten glatten und gewellten Blechen. Bei dieser
Ausführung liegt der Mantel 11 mit seiner Innenfläche 16 mit Pressitz auf der gesamten Aussenfläche 17 der
Trägermatrix auf. Wie weiter unten ausführlich beschrieben, wird dieser Pressitz durch Einziehen des
Mantels 11 von seinem ursprünglichen Durchmesser D auf den Durchmesser d hergestellt.
Figur la zeigt eine Ansicht auf die Stirnseite 14 der Patrone 10, wobei der Mantel 11 einen kreisförmigen
Querschnitt aufweist.
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Figur Ib zeigt eine Abwandlung der Patrone 10 in eine
Patrone 10' mit einem elliptischen Querschnitt des Mantels II1 und der Trägermatrix 12".
Figur Ic zeigt eine vergrösserte Darstellung der Stirnseite 14 aus Figur la, wobei die dunklen Punkte 15'
an den Verbindungsstellen der Metallfolien Schweisspunkte darstellen, die die gewellten und glatten Metallfolien
der Trägermatrix fest miteinander verbinden und somit ein axiales Verschieben der Folien verhindern.
Diese stirnseitige Verschweissung gilt in gleicher
Weise für die andere Stirnseite 13 und ebenso für einen ovalen oder elliptischen Querschnitt. Das stirnseitige
Verschweissen mittels eines Elektronenstrahles kann auch ersetzt werden durch ein stirnseitiges Verlöten,
womit eine gleichwertige Verfestigung der Stirnseite erzielt wird.
Figur 2 zeigt eine anders ausgebildete Patrone 20, die ebenfalls aus einem Mantel 21 und. einer Trägermatrix
22 besteht. Der Mantel 21 ist von seinem grössten Durchmesser D im Bereich der Längen L„
auf einen kleineren Durchmesser d.. eingezogen, so dass sich im Bereich der Flächenstreifen 29 ein Press-
i sitz zwischen Mantel 21 und Aussenfläche 27 der Trägermatrix 22 ergibt. Im Bereich dieser Flächenstreifen
29 der Breite 1„ ist der Mantel 21 mittels einer umlaufenden, durchgehenden oder unterbrochenen
Schweissnaht 25 mit den äusseren Lagen der Trägermatrix 22 verbunden.
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Zwischen den Flächenstreifen 29 befindet sich zwischen Aussenfläche 27 der Trägermatrix 22 und Innenfläche
des Mantels 21 ein Ringspalt 28, der infolge seiner Anfüllung mit Luft als Isolation der Trägermatrix dient.
Es besteht nämlich einerseits die Forderung, dass bei der Trägermatrix 22 zur Beibehaltung oder Erhöhung ihrer
katalytischen Wirksamkeit eine bestimmte Betriebstemperatur bei dem stark wechselnden Betriebsverhalten
eines Kraftfahrzeuges nicht unterschritten werden soll. Andererseits besteht in bestimmten Ländern die Vorschrift,
dass unter dem Fahrzeug angebrachte Teile wie auch ein mit einer solchen Patrone ausgerüsteter
Abgaskatalysator bestimmte Temperaturen nicht überschreiten dürfen, um eine Brandgefahr des Bodens
auszuschliessen. Diesen Forderungen wird mit .der Ausbildung des Ringspaltes 28 entsprochen.
Figur 3 zeigt eine Weiterbildung in Form einer Patrone 30, deren Mantel 31 drei verschiedene Durchmesser,
nämlich D, d1 und d_ aufweist. Der Durchmesser D des
Rohres für den Mantel 31 ist bei dieser Ausführung im Bereich der Längen 1 auf den Durchmesser d.. zur
Erzielung eines Pressitzes für die Flächenstreifen eingezogen und im weiteren Bereich bis zur Länge L3
auf den noch geringeren Durchmesser dj eingezogen,
so dass sich vor den Stirnseiten 33 und 34 der Trägermatrix 32 Anlageflächen 3 und 4 bilden, die eine
axiale Fixierung der Trägermatrix 32 im Mantel 31 bewirken. Zwischen den Flächenstreifen 39 befindet
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sich wieder zwischen Mantelinnenfläche 36 und Trägermatrix-Aussenf
lache 37 ein Ringspalt 38 zur thermischen Isolation. Im Bereich der Flächenstreifen 39
besteht zwischen Mantel 31 und Trägermatrix 32 ein Pressitz, so dass auch hier eine gute Schweissverbindung
mittels einer umlaufenden Schweissnaht 35 vorzugsweise durch Elektronenstrahlschweissen hergestellt
werden kann.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Gestalt der Patrone 4O7 bei der der Mantel 41 umlaufende
Ringnuten 9 zur Erzielung des erforderlichen Presssitzes im Bereich der Flächenstreifen 49 aufweist. Diese
Ringnuten 9 können vorzugsweise mittels Rollen 8, die mehrfach am Umfang des glatten Rohres angeordnet
sind, in das glatte Rohr eingerollt oder eingewalzt werden. Die Trägermatrix 42 wird dann zunächst unter
radialem Spiel in den Mantel 41 eingeschoben und bezüglich ihrer Stirnseiten 43 und 44 positioniert, worauf
der Mantel 41 in axialer Richtung durch zwei Werkzeuge 1 und 2 derart gestaucht wird, dass sich der
Innendurchmesser der Ringnuten 9 verringert und zu einem Pressitz im Bereich der Flächenstreifen 49 führt.
Im Bereich der Ringnut 9 kann dann eine umlaufende Schweissnaht 45 zur Fixierung der Trägermatrix 42
im Mantel 41 angebracht werden.
Figur 5 zeigt eine Darstellung des Verfahrens zum Einziehen des Trägermantels 51 zur Herstellung der
erfindungsgemässen Patrone 50. j
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Hierbei wird zunächst die spiralförmig aufgewickelte Trägermatrix 52 unter radialem Spiel in den Mantel
mit dem Durchmesser D eingeführt und in der gewünschten Lage positioniert. Sodann werden beide Teile 51
und 52 von einem Aufnahmestempel 6 aufgenommen, der mit seinem Bund 7 einerseits die Stirnseite 53 der
Trägermatrix 52 und mit seinem im Durchmesser etwas grösseren Bund 8 die Stirnseite des Mantels 51 abstützt.
Dann wird ein Ziehring 5 mit dem gewünschten Innendurchmesser d1, d.h. dem Fertigaussendurchiüesser
des Mantels 51 über den Mantel 51 gezogen, so dass sich die gewünschte Durchmesserverkleinerung und damit
der erforderliche Pressitz ergibt. Dieser Ziehvorgang kann mit verschiedenen Ziehringen unterschiedlichen
Durchmessers wiederholt werden oder auch mit einem Ziehring mit mehreren gestuften Durchmessern
ausgeführt werden, so dass sich für den Mantel 51 ebenfalls eine gestufte Durchmesseranordnung, wie
zum Beispiel in Figur 3 dargestellt, ergibt.
Figur 6 zeigt ein anderes Verfahren zur Herstellung der fertigen erfindungsgemässen Patrone 60. Der zwischen
den beiden Presswerkzeugen 63 und 64 eingespannte Mantel 61 stellt einen offenen [Hohlzylinder
dar, der aus einem ebenen zugeschnittenen Blechstück durch Aufrollen hergestellt wird. In diesem geschlitzten
Hohlzylinder wird dann die Trägermatrix 62 unter Spiel eingeführt und dann zwischen die beiden Werkzeuge
63 und 64 gelegt und zusammengedrückt, so dass
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sich im Bereich des Schlitzes eine Überlappung oder je nach Bemessung und Ausbildung des Mantels 61 ein
Stumpfstoss ergibt. Noch im eingespannten Zustand zwischen den Werkzeugen 63 und 64 wird dann der Mantel
an der Überlappungsstelle bzw. am Stumpfstoss 65 verschweisst und kann dann fertig den auseinandergefahrenen
Werkzeugen 63 und 64 entnommen werden. Dieser Mantel 61 kann eben sein, so dass sich die Pressung
über die gesamte Länge der Trägermatrix 62 erstreckt oder aber auch Ringnuten 69, wie auch in
Figur 4 dargestellt, aufweisen, die bereits beim Aufrollen des ebenen Mantelbleches mit eingerollt werden.
Durch dieses Verfahren wird ebenfalls ein hinreichender Pressitz zwischen Mantel 61 und Trägermatrix
erzielt. Im übrigen ist dieses Verfahren besonders wirtschaftlich, weil es kein nahtloses Rohr, sondern
ebene, billige Blechstücke als Ausgangsmaterial verwendet .
Figur 7 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemässen Patrone 70 mit ovalem Querschnitt.
Dabei wird zunächst die Trägermatrix 72' als kreiszylindrischer
Körper um einen Kern mit dem Durchmesser D„ aufgewickelt, bis sie den Durchmesser D. erreicht hat.
In die auseinandergefahrenen Werkzeuge 73 und 74 werden Halbschalen 71' und 71'' eingelegt und befestigt, und
auf die untere Halbschale 71'' wird dann die kreiszylindrische
Trägermatrix 72' aufgelegt, wobei ihr im Inneren befindlicher Kern zuvor herausgezogen würde, so dass
sich ein hohlzylindrischer Raum mit dem Durchmesser D„
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ergibt. Die Form der Halbschalen ist durch die in der Zeichnung mit R bemassten Viertelkreisbögen und den geraden
Abschnitt von der Länge s als oval gekennzeichnet. Die Werkzeuge 73 und 74, die in ihren analogen Gegenformen
76 und 77 die Halbschalen 71' und 71If aufnehmen,
werden dann soweit zusammengefahren, dass die beiden Halbschalen 71* und 71'' stumpf aufeinander stossen
und dann sofort verschweisst oder zumindest schweissgepunktet werden können, damit die Trägermatrix nicht
wieder, in ihre Kreisform zurückfedert. Die Durchmesser D
und D_ der Trägermatrix 72' sind so bemessen, dass der
oval verformte Umfang der Trägermatrix 72 allseitig an
der Innenfläche des ovalen Mantels 71 anliegt. Dies wird durch das Einhalten folgender Beziehung gewährleistet:
^i)1 = 22'R+2s. PUrden Wickelkern bzw. den entsprechenden
Hohlraum mit dem Durchmesser D2 und dem entsprechenden
Ovalabschnitt der .Länge s muss folgende Beziehung gelten: If. D„ = 2 s. Die fertige Patrone 70 weist an ihren
Mantelnahtstellen durchgehende Schweissnähte 75 auf.
Figur 8 zeigt schliesslich ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Trägermatrix mit ovalem Querschnitt
bzw. entsprechende Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens. Danach wird die zunächst wieder spiralförmig
zu einem Kreiszylinder aufgewiakelte Trägermatrix 82 in entsprechenden Werkzeugen 36,37 zu einem
ovalen Querschnitt gedrückt. In den beiden Werkzeugen sind Spann- oder Haltebügel 83 und 84 eingelegt, deren
Innenseite mit den Innenflächen der Werkzeugformen abschliessen, so dass sich eine glatt verformte Oberfläche
für die Trägermatrix 82 ergibt. Wenn beide Werkzeuge' und 87 zusammengefahren worden sind, werden die Halte-Blatt 21
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bügel 83 und 84 mittels eines Schnellverschlusses 85 oder einer anderen geeigneten Verbindung gesichert,
so dass die Trägermatrix 82 den auseinandergefahrenen Werkzeugen 86 und 87 entnommen werden kann. Somit wird
die Trägermatrix 82 infolge der Bügel 83 und 84 am Zurückfedern in ihre alte Form gehindert und kann nunmehr
stirnseitig verschweisst oder verlötet werden, womit dann die ovale Querschnittsform verfestigt ist.
Der in dieser Figur nicht dargestellte Mantel kann dann anschliessend über die Trägermatrix 82 geschoben
werden.
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