DE10127200A1 - Bauteil mit Rohrstück - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Rohrstück, einen Abgaskrümmer mit einem erfindungsgemäßen Bauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils. Das Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass in wenigstens einem Bereich des Bauteils, in dem eine hohe Steifigkeit erwünscht ist, zwei Wandungen vorgesehen sind und in anderen Bereichen, in denen eine Elastizität des Bauteils erwünscht ist, eine elastische Wellung vorgesehen ist, die jedoch nur aus einer Wandung besteht. Der Abgaskrümmer umfasst ein derartiges erfindungsgemäßes Bauteil als abgasführendes Element. Das Verfahren stellt ein erfindungsgemäßes Bauteil durch Anordnen von Wandungen und Innenhochdruckumverformen der Wandungen her.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Rohrstück, einen Abgaskrümmer mit einem solchen Bauteil, sowie ein Verfahren zum Herstellen des Bauteils.

Bekannt sind durchströmte Bauteile, z. B Abgaskrümmer, die ähnlich wie Rohrleitungen nach außen hin flüssigkeits- und gasdicht sein müssen. Durch Temperaturänderungen dehnen sich diese Bauteile jedoch bei Erwärmung aus oder ziehen sich bei Abkühlung zusammen. Diese Ausdehnungen müssen in konstruktiver Weise aufgenommen werden, um extrem hohe Spannungen oder Drücke in dem Bauteil zu vermeiden, die zu seiner Zerstörung führen könnten.

Hierzu werden sogen. elastische Wellungen, Schiebesitze usw., die auch als Dehnungswellungen bezeichnet werden, eingesetzt. Diese elastischen Wellungen sind in bestimmten Bereichen des Bauteils einer Rohrachse verwirklicht, so dass sich leicht verformbare Bereiche ergeben. Diese elastischen Wellungen können sowohl die eigene als auch die thermische Ausdehnung von anderen Teilen des Bauteils durch ihre leichte Verformbarkeit aufnehmen.

Bekannt sind Bauteile, bei denen zwischen formstabilen Rohrstücken solche elastischen Wellungen eingeschweißt werden, um so die gewünschte Aufnahme der thermischen Ausdehnung zu erreichen. Nachteilig ist hierbei, dass das Schweißen von dünnwandigem Material, wie es zur Bildung der elastischen Wellung nötig ist, verfahrensmäßig schwierig und fehleranfällig ist. Allein die Tatsache, dass überhaupt geschweisst werden muss, ist ein die Produktion von derartigen Bauteilen verteuernder Faktor.

Bauteile, die ausschließlich aus einem dünnwandigen Material bestehen, das geeignet ist, elastische Wellungen zu bilden, zeigen insgesamt eine ungenügende Formstabilität des gesamten Bauteils.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauteil, z. B einen Abgaskrümmer, zu schaffen, das insgesamt eine ausreichende Formstabilität und Robustheit aufweist, jedoch thermische Ausdehnungen des Bauteils aufnehmen kann.

Die Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Abgaskrümmer mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Das Bauteil umfasst mindestens ein Rohrstück, das eine erste Wandung aufweist, die wenigstens zwei (verschiedene) Bereiche umfasst. In dem einem Bereich des Rohrstücks ist eine elastische Wellung ausgebildet und in dem zweiten Bereich ist das Rohrstück mit einer zweiten Wandung verstärkt, so dass die Steifigkeit des Rohrstücks in dem zweiten Bereich erhöht ist. Dadurch, dass die erste Wandung als durchgehendes Element den Bereich mit der elastischen Wellung aufweist, ist ein Schweißen von dünnwandigem Material nicht nötig, da wegen der Durchgängigkeit des dünnwandigen Materials eine Dichtheit von sich aus gegeben ist. Der Begriff "durchgängig" bedeutet, dass die erste Wandung keine Schweißnähte, Klebungen oder sonstige Verbindungen enthält, weil sie aus einem Stück besteht, wobei aber eventuelle Längsschweißnähte, die dann vorkommen, wenn beispielsweise Rohre durch Biegen und Zusammenschweißen von Blechstreifen hergestellt werden, dennoch vorhanden sein können.

Dadurch, dass in dem Bereich, in dem die elastische Wellung nicht vorgesehen ist, eine zweite Wandung des Rohrstücks die erste Wandung verstärkt, ergibt sich insgesamt ein Bauteil, das eine ausreichend hohe Formstabilität und Robustheit aufweist, auf der anderen Seite jedoch Zonen hat, in denen thermische Ausdehnungen durch die elastische Wellung aufgenommen werden können. Schweißnähte zwischen Material, das die elastische Wellung bildet, mit Material, das eine Steifheit in einem anderen Teil des Rohrstücks herstellt, um diese beiden Teile gas- und/oder flüssigkeits-, d. h. fluiddicht, miteinander zu verbinden, können somit vermieden werden. Trotzdem wird eine hohe und zuverlässige Dichtigkeit - wegen der durchgängigen ersten Wandung - erreicht.

Das erfindungsgemäße Bauteil kann allerdings optional auch Schweißnähte oder Schweißpunkte aufweisen, um z. B. die beiden Wandungen miteinander zu verbinden und in Position zueinander zu halten.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die erste Wandung innen und die zweite Wandung außen liegt. Dadurch ergibt sich auf der Innenseite eine glatte Fläche, die besonders gut geeignet ist, Fluidströmungen aufzunehmen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die erste Wandung dünner ist als die zweite Wandung. Dadurch, dass die erste Wandung, die den Bereich mit der elastische Wellung aufweist, im Vergleich zur zweiten Wandung dünner ist, kann der Bereich mit der elastischen Wellung in einfacher Weise mit geeigneter Elastizität verwirklicht werden. Für den zweiten Bereich des Rohrstücks, der durch eine zweite Wandung verstärkt ist, ergibt sich damit eine gegenüber dem ersten Bereich erhöhte Stabilität. Prinzipiell ist jedoch die Wandstärke der zweiten Wandung auch mit kleineren Wandstärken als die erste Wandung ausreichend, da in dem Bereich, in dem das Bauteil eine erhöhte Steifigkeit aufweisen soll, die Steifigkeit sich immer aus der ersten und der zweiten Wandung gemeinsam ergibt. Jede Verstärkung der ersten Wandung im zweiten Bereich auch mit einer dünnen zweiten Wandung führt zum angestrebten Ergebnis.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die erste und/oder die zweite Wandung mehrlagig ausgebildet ist. Dadurch lassen sich beispielsweise auch beschichtete Wandungen verwenden, die beispielsweise die Korrosionsbeständigkeit oder sonstige Eigenschaften des Bauteils verbessern. Auch ein Aufbau der Wandungen aus mehreren Schichten, die nicht unbedingt Beschichtungen sein müssen, ist für spezielle Ausführungen des Bauteils von Vorteil.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Wandungen metallisch sind. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, das Bauteil in einem großen Temperaturintervall einzusetzen. Dies beinhaltet z. B. Tieftemperatureinsätze in Verbindung mit Flüssiggasen oder auch Hochtemperatureinsätze in Verbindung mit Abgasen, z. B. von Verbrennungen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die Kontaktzone so auszubilden, dass diejenige Fläche der zweiten Wandung, die der ersten Wandung zugewandt ist, vollständig in Kontakt mit der ersten Wandung steht. Dadurch werden Kräfte von beiden Wandungen unmittelbar gemeinsam aufgenommen, so dass sich eine gleichmässige Kräfteeinleitung über beide Wandungen ergibt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die elastische Wellung so vorzusehen, dass die elastische Wellung wärmebedingte Ausdehnungen des Bauteils aufnehmen kann. Durch den Einsatz in wechselnden Temperaturen ist eine elastische Wellung, die temperaturbedingte Ausdehnungen des Bauteils aufnehmen kann, vorteilhaft, da so Spannungen in dem Bauteil vermieden werden können.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, in dem Bauteil mehrere Wellungsbereiche vorzusehen, die sich mit nicht gewellten Bereichen abwechseln. Dadurch, dass sich auch hier die erste Wandung durchgängig auch über mehrere Wellungsbereiche hindurch erstreckt, ist nach wie vor die Fluiddichtheit des Bauteils insgesamt gegeben. Insbesondere werden damit Schweißnähte an eventuellen Stoßstellen beim Übergang von einem "glatten" Bereich in einen gewellten Bereich vermieden, so dass sich auch eine hohe Herstellungsvereinfachung bei hoher Zuverlässigkeit ergibt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die erste und zweite Wandung in der Kontaktzone miteinander verpresst sind. Dadurch wird auch, ohne dass weitere Verbindungstechniken angewandt werden, ein Verschieben der Bauteile gegeneinander nahezu ausgeschlossen. Ein Lösen der beiden Wandungen, beispielsweise durch Vibrationen, kann durch die Verpressung weitgehend vermieden werden. Jedoch können alternativ oder zusätzlich Schweißpunkte oder Schweißnähte vorgesehen sein, um die beiden Wandungen aneinander zu fixieren.

In einem bevorzugten Anwendungsfall wird ein erfindungsgemäßes Bauteil in einem Abgaskrümmer verwendet. In einem Abgaskrümmer treten extrem hohe Temperaturdifferenzen zwischen Umgebungstemperatur und Abgastemperatur auf. Die thermischen Änderungen des Abgaskrümmers erzeugen hohe Ausdehnungen des abgasführenden Elementes des Abgaskrümmers. Wenn als abgasführendes Element ein erfindungsgemäßes Bauteils eingesetzt wird, ergibt sich ein Abgaskrümmer, der die stark variierenden Temperaturen und die sich dadurch bedingenden großen thermischen Ausdehnungen problemlos in den elastischen Wellungen aufnehmen kann. Weiterhin ergibt sich wegen des durch die zweite Wandung verstärkten Bereichs des Bauteils eine insgesamt stabile und robuste Ausführungsform des Abgaskrümmers.

Erfindungsgemäße Abgaskrümmer können vorteilhaft bei Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in Pkws, Lkws, Motorrädern, Flugzeugen, Booten, Schiffen, Kompressoren etc. eingesetzt werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen des Abgaskrümmers umfassen eine Isolierschicht, die das Bauteil umgibt und einen Außenmantel, der das Bauteil und/oder die Isolierschicht ummantelt. Die Ummantelung kann sowohl aus im Tiefziehverfahren hergestellten Blechen jeglicher Art (Halbschalentechnik) als auch im Gießverfahren mit allen Gusswerkstoffen hergestellt werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils sieht die Anordnung von verschiedenen Wandungen als Formstücke vor, die anschließend mit einem Umformverfahren umgeformt werden. Dies kann insbesondere ein Innenhochdruckumformverfahren sein.

Das Innenhochdruckumformverfahren besteht darin, das Innere eines herzustellenden Bauteils mit einem Fluid zu füllen und das Fluid unter Hochdruck zu setzen. Dadurch dehnen sich die Elemente, die das Bauteil bilden werden, nach außen aus und werden gegen eine Form gedrückt. Dadurch können mit einem Verfahrensschritt sowohl die elastische Wellung als auch die genaue Form des Bauteils hergestellt werden. Auch das Verpressen der ersten und zweiten Wandung miteinander geschieht vorteilhafterweise mit ein und demselben Verfahrensschritt.

Das Verfahren ist dann besonders vorteilhaft, wenn das erste und/oder zweite, die Wandungen bildende Formstück ein Rohr ist. Zum einen sind Rohre Standardelemente, die kostengünstig und in vielen Abmessungen erhältlich sind, zum anderen ist die Ausgangsform eines Rohres für Bauteile, insbesondere Bauteile zur Leitung von Fluiden, vorteilhaft, da so nur geringe Umformungen des Materials notwendig sind.

Vorteilhaft ist es hierbei, Rohre mit verschiedenen Durchmessern vorzusehen, die so ineinander gesteckt werden können, bevor die Innenhochdruckverformung durchgeführt wird. Eine Dünnwandigkeit des ersten Rohres im Vergleich zu dem zweiten ist hierbei von Vorteil, da aus dem ersten Rohr die Wandung mit dem Bereich, der die elastische Wellung bildet, geformt wird, die somit eine gute Elastizität aufweist.

Statt Rohre können vorteilhafterweise auch tiefgezogene Formstücke, gefalzte, beschichtete, geschweißte oder andersartig vorgeformte Formstücke je nach Anforderung verwendet werden.

Die beiden Wandungen können auch in Form eines einzigen oder auch meherer partiell doppelwandiger Rohre vorgesehen sein. Bei derartigen vorgefertigten partiell doppelwandigen Rohren, die auch "tailored blanks" genannt werden, sind die beiden Wandungen bereits in einem Element erhältlich.

Das Verfahren kann weiterhin die Schritte des Anbringens von Flanschen, das Formen von Ein- und Auslässen oder ähnlichem vorsehen.

Im Folgenden wird eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils und des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers anhand der anliegenden Figuren erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine Anordnung von Rohren von der zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils in Fig. 2 ausgegangen wird,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Bauteil,

Fig. 3a das Detail X aus Fig. 1 und 2,

Fig. 3b das Detail Y aus Fig. 1,

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Abgaskrümmer.

In Fig. 1 ist zunächst eine Anordnung von Rohrwandungen 5 und 7 dargestellt, wobei die Rohrwandung 5 (erste Wandung) ein durchgängiges bzw. durchgehendes Teil ist, was bedeutet, dass der links und in der Mitte zu sehende Teil zur selben Rohrwandung 5 gehören, während die beiden Rohrwandungsabschnitte 7 (zweite Wandung) von zwei verschiedenen, einzelnen Rohrstücken gebildet sind. Der Durchmesser der zweiten Wandung ist geringfügig grösser als der der ersten Wandung, so dass das die zweite Wandung bildende Rohrteil über das die durchgehende erste Wandung bildende Rohrteil geschoben werden kann. Die Rohrteile, d. h. die ersten und zweiten Wandungen, können beliebige Querschnittsform haben, die also nicht unbedingt kreisförmig sein muss.

Aus diesen ersten und zweiten Wandungen kann nun - wie in Fig. 2 dargestellt - ein Bauteil 1 mit einem aus den ersten und zweiten Wandungen entstandenen Rohrstück 2, z. B mit einem Innenhochdruckverfahren, erhalten werden. Die erste Wandung 5 des Rohrstücks 2 weist nun einen ersten Bereich 3 mit einer elastische Wellung 6 auf, hier aus drei Wellen bestehend, sowie einen zweiten Bereich 4, der durch die zweite Wandung 7 verstärkt ist, in dem diese Wandung - in diesem Ausführungsbeispiel aussenliegend - die erste Wandung dort umgibt.

Die erste Wandung 5 und die zweite Wandung 7 sind wenigstens im Bereich einer Kontaktzone 8 in Kontakt miteinander.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird bei dem Innenhochdruckumverformen im linken Teil des Rohrstücks ein zusätzlicher Stutzen geschaffen.

In Fig. 3a ist ein Ausschnitt (Detail X) aus Fig. 1 gezeigt. Zu erkennen ist hier, wie sich die erste Wandung 5 über den ersten und zweiten Bereich des Rohrstücks durchgängig hindurch erstreckt. Weiterhin ist zu erkennen, wie die zweite Wandung 7 die erste innere Wandung 5 umgibt.

Wenigstens im Bereich der Kontaktzone 8 sind die erste Wandung 5 und die zweite Wandung 7 vollflächig in Presskontakt, was in der Figur strichpunktiert angedeuted ist.

In Fig. 3b ist das Detail Y aus Fig. 2 dargestellt. Zu erkennen ist die erste Wandung 5 und die zweite Wandung 7, die auch hier im Bereich der angedeuteten Kontaktzone 8 miteinander verpresst sind.

Weiterhin ist in Fig. 3a und 3b zu erkennen, dass die Wandstärke der zweiten Wandung 7 größer ist als die Wandstärke der ersten Wandung 5.

In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßer Abgaskrümmer 12 dargestellt. Der Abgaskrümmer umfasst ein erfindungsgemäßes Bauteil 1. Zu erkennen sind drei Wellungen 6, die sowohl Längs- als auch Querausdehnungen des Abgaskrümmers durch elastische Verformungen aufnehmen können.

Der Abgaskrümmer umfasst weiterhin eine Isolierschicht 13 sowie eine Ummantelung 14. Durch die Isolierschicht 13 wird die thermische Änderung der Ummantelung 14 vergleichsweise viel geringer ausfallen als die thermische Ausdehnung des abgasführenden Elementes 1.

Weiterhin ist Flansch 11 zu erkennen, zwischen dem sich drei Einlässe für das Abgas im oberen Bereich der Fig. 4 befinden. Weiterhin ist ein Flansch 10 am Auslass des Abgaskrümmers dargestellt.

Der in Fig. 4 dargestellte Abgaskrümmer umfasst ein abgasführendes Bauteil 1, das, wie bereits anhand von Fig. 1 und 2 erläutert, ein durchgängiges, innenliegendes, dünnwandiges Rohr (erste Wandung) umfasst. Aus dem Material der dünnen, innenliegenden Wandung sind die elastischen Wellungen 6 geformt. Drei verstärkte Bereiche 4, die durch Verstärkung der ersten Wandung mit äußeren zweiten Wandungen gebildet werden, befinden sich im Bereich der drei Abgaseinlässe.

Durch die starre Befestigung (Schweißung) am Flansch 11 wird das abgasführende Innenteil 1 schwingungsfest gehalten.

Allein schon wegen der verwinkelten Form des Abgaskrümmers, aber auch wegen der gemeinsamen Verformungsprozesse ist ein Verschieben oder Lösen der ersten Wandung von der zweiten Wandung ausgeschlossen.

Sollten weniger verwinkelte Bauteile hergestellt werden, so kann es evtl. von Vorteil sein, die erste Wandung und die zweite Wandung durch weitere Verbindungstechniken wie beispielsweise Punktschweißen miteinander zu fixieren.

Claims (16)

1. Bauteil (1) mit einem Rohrstück (2) mit einer durchgehenden ersten Wandung (5), die wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Bereich (3, 4) aufweist, wobei im ersten Bereich (3) eine elastische Wellung (6) der ersten Wandung (5) ausgebildet ist und wobei der zweite Bereich (3) mit einer zweiten Wandung (7) verstärkt ist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandung (5) innen und die zweite Wandung (7) außen liegt.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandung (5) dünner ist als die zweite Wandung (7).

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (5) und/oder die zweite Wandung (7) mehrlagig ausgebildet ist.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen (5, 7) aus Metall bestehen.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Wandung zumindest in einer Konzaktzone (8), insbesondere aber vollflächig miteinander in Kontakt stehen.

7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Wellung (6) wärmebedingte Ausdehnungen des Bauteils (1) aufnehmen kann.

8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Anschlussflansch (10, 11) an dem Rohrstück (2) vorgesehen ist.

9. Abgaskrümmer (12) mit einem Bauteil (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 als abgasführendes Element.

10. Abgaskrümmer (12) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) mit einer Isolierschicht (13) umgeben ist.

11. Abgaskrümmer (12) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) mit einem Außenmantel (14) ummantelt ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1), mit folgenden Schritten:

• - Vorsehen einer ersten, im Wesentlichen rohrförmigen Wandung (5),
• - Vorsehen mindestens einer zweiten, im Wesentlichen rohrförmigen Wandung (7) in der ersten Wandung oder die erste Wandung umgebend, wobei die zweite Wandung (7) kürzer ist als die erste Wandung (5),
• - Umverformen der Wandungen (5, 7) zum Bilden eines Bauteils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10

13. Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass ein partiell doppelwandiges Rohr oder Blech (tailored blanks) vorgesehen ist, um die beiden Wandungen (5, 7) vorzusehen.

14. Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsehen der zweiten Wandung (7) das Aufstecken oder Einschieben der zweiten Wandung (7) auf bzw. in die erste Wandung (5) umfasst.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass das Umverformen das Innenhochdruckumverformen der beiden Wandung (5, 7) umfasst.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (5) und/oder die zweite Wandung (7) von Rohren unterschiedlichen Durchmessers gebildet sind.