DE102006015657A1

DE102006015657A1 - Verfahren zum Herstellen von abgasführenden Vorrichtungen, insbesondere Abgasreinigungsvorrichtungen

Info

Publication number: DE102006015657A1
Application number: DE102006015657A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmidt; Stefan MERSCHKÖTTER; Peter Kroner
Original assignee: ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-04-05
Also published as: DE102006015657B4; WO2007115623A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer abgasführenden Vorrichtung, insbesondere einer Abgasreinigungsvorrichtung, die ein Außengehäuse (14) mit einem darin eingeklemmten Einleger, bestehend aus einem abgasdurchströmten Substrat (10) und einem das Substrat (10) umgebenden elastischen Ausgleichselement, hat, wird das Ausgleichselement einzeln in vorbestimmter Weise durch Ausübung eines Druckes verformt, wobei lediglich ein Teilbereich des Ausgleichselements belastet wird. Aus den dabei ermittelten Werten wird die Sollverformung des Ausgleichselements, die zum Erreichen eines Solldrucks notwendig ist, bestimmt, und das Ausgleichselement wird um das Substrat (10) gelegt. Schließlich wird der so erhaltene Einleger in einem Außengehäuse (14) montiert, dessen Innenabmessungen den Außenabmessungen des Einlegers bei der ermittelten Sollverformung entsprechen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von abgasführenden Vorrichtungen, insbesondere Abgasreinigungsvorrichtungen, die jeweils ein Außengehäuse und einen im Außengehäuse geklemmten Einleger haben, wobei der Einleger ein abgasdurchströmtes Substrat und ein das Substrat umgebendes elastisches Ausgleichselement umfaßt.
Die abgasführenden Vorrichtungen, um die es sich bei der Erfindung handelt, sind beispielsweise Schalldämpfer, insbesondere aber Abgasreinigungsvorrichtungen wie Katalysatoren und Partikelfilter.
In solchen Vorrichtungen sind gegen radialen Druck sehr empfindliche Einleger untergebracht, bislang handelt es sich dabei überwiegend um axial durchströmte Keramiksubstrate, die mit einem elastischen Ausgleichselement (z.B. in Form einer Matte) umwickelt sind. Diese Einleger werden, wenn möglich, nur durch radiale Klemmung im Außengehäuse in axialer und radialer Richtung gehalten. Dabei muß die Klemmung groß genug sein, damit im Fahrbetrieb durch den Gasdruck oder durch Vibrationen keine Verschiebung des Einlegers relativ zum Außengehäuse in axialer Richtung zustande kommt. Auf der anderen Seite darf natürlich der radiale Druck nicht so groß sein, daß es zum Zerstören des Einlegers kommt, insbesondere zum Zerstören des auf Druck empfindlichen Katalysatorsubstrats bzw. Partikelfiltersubstrats. Es sind nun Bestrebungen vorhanden, Einleger mit geringerer Masse zu verbauen, die sich im Fahrbetrieb schneller aufheizen. Solche Substrate bestehen beispielsweise aus einer wellpappeartigen Trägerstruktur, die mit Katalysatormaterial beschichtet ist.
Das Einbringen und Klemmen des Einlegers im Außengehäuse erfolgt bislang üblicherweise entweder durch Wickeln eines Blechmantels um den Einleger, durch Einschieben des Einlegers in ein Rohr mit oder ohne nachträgliches Kalibrieren oder Schließen von Schalen. Wenn die aufgebrachte Kraft zu groß ist, kann es zum Zerstören des Einlegers, das heißt bei Katalysatoren oder Partikelfiltern des Substrats, kommen.
Eine große Schwierigkeit beim Herstellen von Abgasreinigungsvorrichtungen besteht darin, daß zwischen dem Substrat und dem Außengehäuse das elastische Ausgleichselement, typischerweise die Lagermatte, vorgesehen ist, die für einen Druckausgleich und eine stetige Vorspannung sorgt. Der Nachteil dieser Lagermatte besteht jedoch darin, daß sie, nachdem sie zusammengedrückt wird, einem gewissen Setzungsvorgang unterworfen ist, man spricht von Relaxieren, so daß der über sie an das Substrat weitergegebene Druck abnimmt. Das Zurückfedern des Außengehäuses nach dem Einbringen und Klemmen führt ebenfalls dazu, daß der anfänglich aufgebrachte Druck auf das Substrat und damit die aufgebrachte Klemmkraft nachläßt. Weiterhin nimmt der Haltedruck der Lagermatte im Betrieb ab (z.B. durch Alterung). Dies führt dazu, daß man im Hinblick auf die spätere sichere Klemmung des Substrats im Außengehäuse sicherheitshalber das Außengehäuse noch mehr anfänglichen Druck auf den Einleger ausüben läßt, weshalb man bei einzelnen Substraten an die Grenzen der Stabilität geht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzustellen, das auch bei sehr druckempfindlichen Einlegern für eine ausreichend sichere Klemmung im Außengehäuse bei minimalen Ausschußraten sorgt.
Dies wird durch folgende Verfahrensschritte erreicht: Zunächst wird jedes Ausgleichselement einzeln in vorbestimmter Weise durch Ausübung eines Druckes verformt, wobei lediglich ein Teilbereich des Ausgleichselements belastet wird. Aus den dabei ermittelten Werten wird die Sollverformung des Ausgleichselements, die zum Erreichen eines Solldrucks notwendig ist, bestimmt. Anschließend wird das Ausgleichselement um das Substrat gelegt und der so erhaltene Einleger in einem Außengehäuse montiert, dessen Innenabmessungen den Außenabmessungen des Einlegers bei der ermittelten Sollverformung entsprechen.
Bei den bislang bekannten Verfahren wird mit einer stets konstanten, vorgegebenen Kraft das Außengehäuse um einen vorbestimmten Weg plastisch deformiert, unabhängig von der Belastbarkeit des gerade verbauten Einlegers. Die Erfindung geht einen anderen Weg, indem sie zuerst die tatsächlich notwendige Kompression der Lagermatte bestimmt, um dann das Außengehäuse auf die Klemmkraft abzustimmen, die zum Erreichen der gewünschten Kompression notwendig ist. Auf jede Lagermatte wird deshalb im unverbauten Zustand, also noch vor dem Wickeln um das zugeordnete Substrat, eine Kraft und damit ein entsprechender Druck ausgeübt, etwa durch einen Stempel. Da hierbei die Lagermatte in Mitleidenschaft gezogen wird, und zwar sowohl durch Brechen als auch durch Ausrichten von Fasern, was den durch die Matte ausgeübten Druck verringert, ist erfindungsgemäß vorgesehen, nur einen Teilbereich der Matte zu belasten. Auf diese Weise wird die „Beschädigung" des elastischen Ausgleichselements so gering wie möglich gehalten. Ein weiterer Vorteil einer nur anteiligen Messung der Druck-Verformungskennlinie besteht darin, daß hierbei, verglichen mit einer sehr großen Meßfläche, Winkelfehler der Meßvorrichtung (etwa durch eine nicht vollflächige Auflage des Meßstempels) weniger stark ins Gewicht fallen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß auf jedes Ausgleichselement ein vorbestimmter Druck ausgeübt und die Sollverformung dadurch bestimmt wird, daß die elastische Verformung des Ausgleichselements zumindest beim Erreichen des vorbestimmten Drucks gemessen wird. Es wird also ein zunehmender Druck aufgebracht und zumindest währenddessen gemessen, wie stark sich das Ausgleichselement beim gerade ausgeübten Druck elastisch verformt. Da die elastische Verformung mattenspezifisch ist, werden für jedes Ausgleichselement geringfügig unterschiedliche Verformungswerte ermittelt werden. Die Sollverformung, bei der das Ausgleichselement den Solldruck ausübt, kann dann auf zwei verschiedene Weisen ermittelt werden. Dabei ist der Solldruck ein vorbestimmter Druck, der, abhängig vom erforderlichen Haltedruck, mehr oder weniger knapp unterhalb des Druckwertes liegt, ab dem die Einleger plastisch deformiert und damit zerstört werden.
Eine erste Variante zur Bestimmung der Sollverformung sieht vor, jedes Ausgleichselement mit dem Solldruck zu beaufschlagen, um daraus die Sollverformung und damit die Außenmaße des Einlegers zum Erreichen des Solldrucks festzulegen.
Nachdem die Sollverformung für das spezielle Ausgleichselement bestimmt wurde, können ohne besonderen Aufwand die entsprechenden Innenabmessungen des auf den Einleger aufzubringenden Außengehäuses bestimmt werden.
Im abschließenden Verfahrensschritt wird dann das Außengehäuse mit denjenigen Innenabmessungen auf die vorgefertigte Einheit aus Substrat und Ausgleichselement aufgebracht, die den Außenabmessungen des Einlegers bei ermittelter Sollverformung entsprechen. Es wird also, mit anderen Worten, mit der Meßvorrichtung, über die der Druck auf das Ausgleichselement aufgebracht wird, der spätere Druck des Außengehäuses simuliert, und anschließend wird erst das Außengehäuse abhängig von den Meßwerten maßgerecht erzeugt oder ausgewählt.
Gemäß einer zweiten, besonders bevorzugten Variante zur Bestimmung der Sollverformung ist vorgesehen, daß der vorbestimmte aufgebrachte Druck unterhalb des zu erzielenden Solldrucks liegt. Die Sollverformung, die zum Erreichen dieses Solldrucks nötig ist, wird dann in einer Steuerung ermittelt. Dies erfolgt dadurch, daß die beim Aufbringen des Drucks gemessene Verformung des Ausgleichselements extrapoliert wird, um zur Sollverformung zu kommen. Dabei kann die Verformung stetig mit zunehmendem Druck gemessen werden. Alternativ kann sie natürlich auch nur bei einigen bestimmten Druckwerten gemessen werden, um dann anschließend zu extrapolieren.
Diese Variante, bei der der aufgebrachte Druck vorzugsweise deutlich unterhalb des Solldrucks liegt, bietet gegenüber dem erstgenannten Verfahren (Ausgleichselement wird bereits mit dem Solldruck beaufschlagt) den Vorteil, daß ein Druckverlust aufgrund von Mehrfachkompression des Ausgleichselements vermieden oder zumindest begrenzt wird. Diesbezüglich wurde, wie schon erwähnt, festgestellt, daß die üblicherweise vorgesehene Matte bei jeder Kompression einem gewissen Setzungsvorgang, also einer plastischen Verformung, unterworfen ist, wodurch auch der durch die Matte ausgeübte Haltedruck abnimmt. Wird nun also die Lagermatte in einer entsprechenden Meßvorrichtung (ggf. sogar mehrmals) mit dem Solldruck beaufschlagt und daraus die Sollverformung bestimmt, so ist eine spätere sichere Klemmung des Einlegers im Außengehäuse, das auf eben diese Sollverformung ausgelegt ist, unter Umständen nicht mehr gewährleistet, da der Haltedruck der Matte sich durch die Mehrfachkompression verringert hat. Ein ähnlicher Druckverlust tritt im übrigen auch auf, wenn die Matte zur Kompensation einer möglichen Rückfederung des Außengehäuses „überkomprimiert", also über den Solldruck hinaus beaufschlagt wird. Wird jedoch nur ein deutlich unterhalb des Solldrucks liegender Druck auf das Ausgleichselement ausgeübt, der gerade ausreichend ist, um den (weiteren) Verlauf der Druck-Verformungs-Kennlinie mit hinreichender Genauigkeit extrapolieren zu können, läßt sich der beschriebene Effekt vermeiden oder zumindest stark verringern.
Alternativ zur Ausübung eines vorbestimmten Drucks auf das Ausgleichselement und Messung der dadurch hervorgerufenen Verformung besteht auch die Möglichkeit, bei dem Ausgleichselement durch Druckbeaufschlagung eine vorbestimmte Verformung hervorzurufen und die Sollverformung dadurch zu bestimmen, daß zumindest der zum Erreichen der vorbestimmten Verformung nötige Druck auf das Ausgleichselement gemessen wird. Bei dieser vorbestimmten Verformung kann es sich um eine Verformung um einen bestimmten Betrag (d.h. die innerhalb gewisser Grenzen variable Dicke jedes Ausgleichselements wird um einen konstanten, vorher festgelegten Wert verringert) oder aber um eine Verformung auf einen vorbestimmten Wert, nämlich eine vorher festgelegte Dicke, handeln. Unter einer Messung des Druckes ist in diesem Zusammenhang selbstverständlich auch eine Messung der benötigten Kraft, beispielsweise mit Hilfe einer Kraftmeßdose, zu verstehen, von der dann (unter Berücksichtigung der Fläche der Kraftmeßdose) unmittelbar auf den Druck geschlossen werden kann.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht auch hier vor, daß die vorbestimmte Verformung unterhalb der Sollverformung liegt und die Sollverformung aufgrund des bei der vorbestimmten Verformung ausgeübten Druckes extrapoliert wird. Die vorbestimmte Verformung ist dabei möglichst gering zu wählen; vorteilhaft ist sie gerade groß genug, um eine hinreichend genaue Extrapolation des Druck-Verformungs-Verhaltens des speziellen Ausgleichselements zu ermöglichen. So wird der bereits im Zusammenhang mit dem druckgesteuerten Verfahren erläuterte Druckverlust durch Mehrfachkompression des Ausgleichselements vermieden oder zumindest begrenzt.
Um die spätere Klemmung des Einlegers im Außengehäuse weiter zu optimieren, können bei der Extrapolation weitere Parameter berücksichtigt werden. Insbesondere sind hier die z.B. bei gewickelten Gehäusen auftretende Rückfederung des Außengehäuses nach dem Schließvorgang bzw. die nach der Montage auftretende Aufweitung des Gehäuses (im Falle eines vorgefertigten zylindrischen Außengehäuses, in das der Einleger eingeschoben wird) zu nennen. Weiterhin ist es vorteilhaft, die bei (im Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung unvermeidlichen) Temperaturänderungen auftretende Formänderung des Außengehäuses zu berücksichtigen; gerade Gehäuse mit unrundem Querschnitt neigen dazu, „rund zu werden". Wird diese Tendenz bereits bei der Bestimmung des individuell maßgeschneiderten Außengehäuses für den jeweiligen Einleger einkalkuliert, indem beispielsweise ein ovales Gehäuse etwas länglicher ausgeführt wird, können lokale Druckspitzen in den Bereichen mit kleinerem Radius vermieden werden. Auf diese Weise ergibt sich eine geringere Substratbelastung, was weniger Ausschuß und eine bessere Dauerhaltbarkeit zur Folge hat.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich zur Ermittlung der Sollverformung des Ausgleichselements die individuelle Außengeometrie des Substrats bestimmt, die ebenfalls in die Berechnung der Gehäusegeometrie mit einfließt.
Hierzu wird das Substrat z.B. gemessen, was mit Hilfe einer Kamera, durch Lasermessung oder auf mechanischem Weg erfolgen kann.
Insbesondere handelt es sich bei dem durch Ausübung eines Druckes verformten Teilbereich des Ausgleichselements um einen zusammenhängenden Bereich. Alternativ ist es auch möglich, die Kompressibilitätsmessung anhand mehrerer kleiner Meßflächen vorzunehmen.
Um meßbedingte Beschädigungen des Ausgleichselements gering zu halten, sollte die Fläche des Teilbereichs weniger als die Hälfte, vorzugsweise zwischen 15 und 25 %, der Fläche des Ausgleichselements betragen. Im Falle eines Katalysators, dessen Lagermatte etwa 400 mm lang und 100 mm breit ist, bietet sich eine Meßfläche von etwa 100 mm·100 mm (oder eine vergleichbare nichtquadratische Fläche) an. Im Falle eines Partikelfilters, dessen Lagermatte die Abmessungen 300 mm·400 mm hat, liefert eine Meßfläche von (150 mm)² eine hinreichende Genauigkeit.
Um Meßfehler durch Rand- bzw. Schneideeffekte zu vermeiden, sollte der Teilbereich, in dem die Druckmessung erfolgt, ein vom Rand entfernter, insbesondere mittlerer Bereich des Ausgleichselements sein.
Wie bereits erwähnt, ist die Vorrichtung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, gemäß der bevorzugten Ausführungsform ein Abgaskatalysator oder ein Partikelfilter, die beide mit einem labilen Substrat als Kern des Einlegers versehen sind. Auch eine Kombination aus Katalysator und Partikelfilter ist möglich.
Das Gehäuse ist insbesondere als Blechgehäuse ausgeführt, und das Ausgleichselement ist insbesondere eine Lagermatte.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf sämtliche bislang bekannten Verfahren zum Herstellen abgasführender Vorrichtungen angewandt werden.
Ein erstes Verfahren ist das sogenannte Wickeln, bei dem ein plattenförmiger Blechabschnitt um den Einleger gewickelt und anschließend ab Erreichen der vorbestimmten Innenabmessungen an seinen Rändern befestigt und geschlossen wird.
Ein zweites Verfahren ist das Kalibrieren, bei dem von außen am Umfang des vorgefertigten Rohres gegen dieses gedrückt wird, um es plastisch zu deformieren und gegen den Einleger zu pressen.
Ein drittes Verfahren sieht ein Gehäuse aus mehreren Schalen vor, die gegen den Einleger gepreßt und anschließend aneinander befestigt werden.
Eine vierte Ausführungsform sieht ein sogenanntes Stopfverfahren vor. Hierbei werden mehrere zylindrische Gehäuse mit unterschiedlichen Innenabmessungen vorgefertigt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden ja die Innenabmessungen des Gehäuses ermittelt, die für den gewünschten Druck sorgen. Anschließend kann dann das Gehäuse mit den entsprechenden Maßen verwendet werden, um stirnseitig den Einleger in das Gehäuse einzuschieben. Alternativ kann das Gehäuse mit dem in der Druck- bzw. Wegmessung und Berechnung ermittelten optimalen Durchmesser speziell angefertigt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Längsschnittansicht durch eine durch die Erfindung hergestellte Vorrichtung in Form einer Abgasreinigungsvorrichtung,
2 schematische Ansichten von beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Meßvorrichtungen und Werkzeugen;
3 ein Druck-Verfahrweg-Diagramm, das für das erfindungsgemäße Verfahren charakteristisch ist;
4 in Draufsicht verschiedene elastische Ausgleichselemente, bei denen der Teilbereich für die Druckbelastung markiert ist;
5 eine stirnseitige Ansicht einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Vorrichtung, wobei das Außengehäuse gewickelt ist;
6 eine perspektivische Ansicht eines beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Kalibrier-Werkzeugs, teilweise im Schnitt;
7 eine stirnseitige Ansicht einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Vorrichtung mit einem aus Schalen hergestellten Außengehäuse; und
8 eine Prinzipskizze, die das beim erfindungsgemäßen Verfahren alternativ angewandte Stopfen zeigt.
In 1 ist eine in einem Kraftfahrzeug untergebrachte abgasführende Vorrichtung in Form einer Abgasreinigungsvorrichtung dargestellt. Die Abgasreinigungsvorrichtung ist entweder ein Abgaskatalysator oder ein Partikelfilter oder eine Kombination aus beiden.
Kernstück der Abgasreinigungsvorrichtung ist ein langgestrecktes, zylindrisches Substrat 10, das beispielsweise aus einem keramischen Substrat oder einer Art gewickelter Wellpappe oder einem anderen katalytischen Träger- oder Filtermaterial mit oder ohne Beschichtung besteht. Das Substrat 10 kann einen kreiszylindrischen Querschnitt oder einen unrunden Querschnitt aufweisen. Nur zur vereinfachten Darstellung ist in den Figuren ein kreiszylindrischer Querschnitt dargestellt. Das Substrat ist von einer Lagermatte 12 umgeben, die als elastisches Ausgleichselement zwischen dem Substrat 10 und einem Außengehäuse 14 wirkt. Das Außengehäuse 14 ist sehr dünnwandig ausgeführt und insbesondere aus Blech. Stromaufwärts und stromabwärts sind mit dem Außengehäuse 14 ein Einströmtrichter 16 bzw. ein Ausströmtrichter 18 verbunden.
Das Substrat 10 bildet zusammen mit der Lagermatte 12 eine Einheit, die im folgenden als Einleger bezeichnet wird.
Im Betrieb strömt Abgas über den Einströmtrichter 16 stirnseitig in das Substrat 10 ein und verläßt mit weniger Schadstoffen versehen schließlich das Substrat 10 an der gegenüberliegenden Stirnseite, um über den Ausströmtrichter 18 die Reinigungsvorrichtung zu verlassen.
Die Herstellung der Abgasreinigungsvorrichtung wird im folgenden anhand der 2 bis 5 erläutert.
In 2 sind verschiedene Meßstationen gezeigt, mit denen Eigenschaften jedes einzelnen Substrats 10 und jeder Lagermatte 12 im Hinblick auf ein individuell abgestimmtes Außengehäuse zur Erzielung einer optimierten Klemmkraft des Einlegers im Außengehäuse 14 ermittelt werden. Die Meßstationen sind über eine Steuerung 20 mit Werkzeugen zur Herstellung des Außengehäuses 14 bzw. zum Montieren und Klemmen des Einlegers im Außengehäuse 14 gekoppelt. Die im folgenden erläuterten Stationen werden in der bevorzugten Reihenfolge des Herstellungsverfahrens beschrieben.
In einer ersten Meßvorrichtung 22 wird die Außengeometrie (Form und Außenabmessungen, insbesondere Umfang) des Substrats 10 mittels vorzugsweise berührungsloser Meßsensoren ermittelt. Die Meßvorrichtung 22 ist mit der Steuerung 20 verbunden, in der die erhaltenen Meßwerte für das Substrat abgelegt werden. Alternativ kann zur Bestimmung der Außengeometrie auch eine CCD-Kamera 22' oder eine Lasermeßvorrichtung 22'' Anwendung finden.
In einer Zug-Druck-Prüfmaschine 24 wird die Lagermatte 12 durch einen Stempel 25 in einem Teilbereich zunehmend druckbelastet.
Dabei wird die auf die Lagermatte 12 aufgebrachte Kraft stetig gesteigert bis zum Erreichen eines vorbestimmten Druckes. Während des Verfahrens des Stempels 25 wird punktuell oder stetig auch die Verfahrstrecke parallel zum Druck aufgenommen. Von der Kontaktierung der Lagermatte 12 bis zur Stellung des Stempels 25 bei Erreichen des vorbestimmten Drucks wird beispielsweise ein Verfahrweg X ermittelt. Der vorbestimmte Druck kann dabei der der Sollverformung entsprechende Solldruck sein, mit dem dann später der Einleger im Außengehäuse 14 geklemmt sein soll.
Vorzugsweise wird man jedoch, wie zuvor schon einmal erläutert, deutlich unterhalb des Solldruckes p_S das Meßverfahren beenden und dazu bis zu dem vorgegebenen, niedrigeren vorbestimmten Druck p₀ den Stempel 25 auf die Lagermatte 12 zu bewegen, um über die bis dahin ermittelten Meßparameter auf den Verfahrweg (und somit die nötige Sollverformung) zur Erreichung des Solldruckes p_S hochzurechnen. Hierzu ist die Zug-Druck-Prüfmaschine 24 ebenfalls mit der Steuerung 20 gekoppelt.
3 zeigt schematisch den Verlauf des auf die Lagermatte 12 ausgeübten Druckes p in Abhängigkeit vom (tatsächlichen oder berechneten) Verfahrweg X. Wie bereits erwähnt, wird auf die Lagermatte 12 durch den Stempel 25 nur der Druck p₀ ausgeübt, der einem Verfahrweg X₀ des Stempels 25 entspricht. Der Wert p₀ wird zuvor in Abhängigkeit von den für den Einleger verwendeten Materialien festgelegt und ist für alle Bauteile einer Serie konstant. Während der Bewegung des Stempels 25 werden mehrere Meßwerte für den Druck p in Abhängigkeit vom Verfahrweg X an die Steuerung 20 übergeben. Aus diesen für jede Lagermatte 12 spezifischen Meßwerten wird der weitere Verlauf der Druck-Verfahrweg-Kennlinie für die jeweilige Lagermatte 12 extrapoliert. Dabei wird auch die spätere Rückfederung des Außengehäuses 14 sowie evtl. weitere Parameter berücksichtigt, weshalb der Solldruck p_S (rechnerisch) um einen Betrag Δp erhöht wird. Auf diese Weise gelangt man zu dem durch das Außengehäuse 14 aufzubringenden Druck p_A, der einem Verfahrweg X_A des Stempels 25 entspricht. Dieser Verfahrweg X_A legt die Sollverformung der Lagermatte 12 fest.
Zur Extrapolation der Druck-Verfahrweg-Kennlinie kann anstelle des Druckes p₀ auch der Verfahrweg X₀ des Stempels 25 für die jeweilige Serie auf einen konstanten Wert festgelegt werden, wobei wiederum beim Bewegen des Stempels 25 der Druck p in Abhängigkeit vom Verfahrweg X gemessen und an die Steuerung 20 übermittelt wird.
4 zeigt verschiedene Beispiele für Lagermatten 12, wobei die durch den Stempel 25 belasteten Teilbereiche 26 schraffiert dargestellt sind. Bei dem Teilbereich 26 kann es sich um einen zusammenhängenden Bereich (4a, b, d) oder um mehrere Einzelbereiche (4c) handeln. Allen Beispielen ist gemeinsam, daß der belastete Teilbereich ein vom Rand beabstandeter, mittlerer Bereich der Lagermatte 12 ist. Insbesondere ist er also nicht in dem Bereich der Lagermatte 12 angeordnet, in dem im montierten Zustand der Lagermatte 12 deren Stirnkanten aneinanderstoßen (vgl. 4d). Der Anteil des belasteten Teilbereichs an der Gesamtfläche der Lagermatte 12 beträgt in etwa 15 bis 25 %.
Mit den ermittelten Daten über den zu verbauenden Einleger (bestehend aus Substrat 10 und Lagermatte 12) wird in der Steuerung 20 eine auf zumindest die Kompressibilität der Lagermatte 12 abgestimmte Geometrie des Außengehäuses 14 ermittelt, was durch Rechnen oder durch Vergleichen mit einer in der Steuerung 20 abgelegten Zuordnungsmatrix erfolgen kann. Die individuelle Geometrie wird auf die Erzielung der erforderlichen, individuell auf den Einleger abgestimmten und auszuübenden Klemmkraft ausgelegt.
In einem nächsten Schritt wird dieses ermittelte Außengehäuse 14 mit abgestimmter Geometrie beispielsweise durch inkrementales Umformen hergestellt (siehe Position 27 in 2). Dies kann durch Dorn- oder Walzenbiegen erfolgen, jedoch muß die Biegewalze dabei sehr klein dimensioniert sein, um die nötigen kleinen Umformungen herstellen zu können.
Anschließend wird das Ausgleichselement in Form der Lagermatte 12 um das Substrat 10 gelegt, und der so erhaltene Einleger wird in seinem maßgeschneiderten Außengehäuse 14 im sogenannten Wickelverfahren verbaut (siehe Position 28). Dazu wird das vorgefertigte Außengehäuse 14 leicht gespreizt und der Einleger seitlich in das Außengehäuse 14 eingeschoben. Das Außengehäuse 14 wird druck- und/oder weggesteuert geschlossen, indem die sich überlappenden Ränder 30, 32 soweit übereinander geschoben werden, daß die Abmessungen des entstehenden Außengehäuses 14 den zuvor ermittelten Werten entsprechen. Der Schließprozeß erfolgt dabei anhand geeigneter, zuvor in der Steuerung 20 ermittelter und auf das individuelle Substrat 10 bzw. die Lagermatte 12 abgestimmter Parameter. Anschließend werden die sich überlappenden Ränder gefügt, z.B. geschweißt, gefalzt, gelötet oder geklebt. Das fertige Produkt ist in 5 dargestellt.
Neben dem Wickeln des Außengehäuses 14 kann die Montage auch durch ein sogenanntes Kalibrieren erfolgen. Eine entsprechende Kalibriervorrichtung ist in 6 gezeigt. Diese umfaßt zahlreiche kreissegmentförmige, radial bewegliche Backen 34, die sich zu einem Ring schließen können. Ins Innere des durch die Backen 34 umschriebenen Arbeitsraums wird das kreiszylindrische, rohrförmige Außengehäuse 14 gelegt, in welches der Einleger axial eingeschoben ist. Die Backen 34 werden anschließend radial nach innen verfahren, wobei insbesondere die zuvor in der Steuerung 20 abgelegten Werte bezüglich des Verfahrweges X_A herangezogen werden können. Das bedeutet, die durch die Steuerung 20 zuvor ermittelten gewünschten Außenabmessungen des Einlegers werden durch eine weggesteuerte Bewegung der Backen 34 unter gleichzeitiger plastischer Verformung des Außengehäuses 14 erreicht. Voraussetzung ist natürlich, daß der Einleger vor der Verformung annähernd spielfrei im Außengehäuse 14 positioniert war oder das Spiel bei der Verformung mitberücksichtigt wurde. Der durch das plastisch verformte Außengehäuse 14 auf den Einleger aufgebrachte Druck entspricht damit (nach erfolgter Rückfederung) dem Solldruck p_S.
Anstatt der in 6 gezeigten Backen 34 kann das Kalibrieren auch mittels Rollen erfolgen, die gegen das Außengehäuse mit darin vorgesehenem Einleger seitlich um den vorbestimmten Verfahrweg X_A gedrückt und gedreht werden. Auch ein sogenanntes Drücken ist in diesem Zusammenhang möglich, bei dem das Außengehäuse 14 mit darin angeordnetem Einleger relativ um den vorbestimmten Verfahrweg X_A gegen eine einzelne Rolle bewegt wird und anschließend eine Relativdrehung zwischen der Rolle und dem Außengehäuse samt Einleger erfolgt, so daß sich die Rolle umfangsmäßig in das Außengehäuse drückt und dieses plastisch um den Verfahrweg X_A nach innen deformiert.
Die in 7 gezeigte Ausführungsform arbeitet mit zwei oder mehreren Schalen 35, 36, die ineinandergeschoben werden. Auch hier werden die Schalen 35, 36 weggesteuert soweit ineinander geschoben, bis die Innenabmessungen den bestimmten Außenabmessungen des Einlegers entsprechen. Die Schalen 35, 36 werden dann z. B. aneinandergeschweißt, gefalzt oder gelötet. Auch hier ist wiederum eine Rückfederungs- bzw. Aufweitungskompensation mit einzurechnen.
8 zeigt schematisch das sogenannte Stopfen. In der Meßeinrichtung werden die gewünschten Außenabmessungen des Einlegers ermittelt. Anschließend wird ein zylindrisches, rohrförmiges Außengehäuse 14 mit dem gewünschten Durchmesser hergestellt. Dieses Kalibrieren kann in einem oder mehreren Arbeitsschüben oder in einem kontinuierlichen Prozeß (z.B. Walzen) erfolgen. Anschließend wird der Einleger axial in das ausgewählte Außengehäuse 14 gestopft. Hierbei sind natürlich entsprechende trichterförmige Hilfsmittel oder Hilfsmittel zur radialen Vorkompression vorgesehen. Die beim Stopfverfahren erfolgende Aufweitung des Außengehäuses 14 wird analog zu dem für die Rückfederung beschriebenen Vorgehen bei der Bestimmung der Sollverformung kompensiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet zahlreiche Vorteile. So ist z. B. eine Anwendbarkeit auch bei im Querschnitt nicht runden Substraten gegeben, etwa bei ovalen oder bei sogenannten tri-ovalen Substratdurchmessern. Bei der Druckbelastung der flachen Matte ist (im Gegensatz zu einer Druckbelastung des gesamten Einlegers) kein Verdrehen bzw. Verkanten möglich. Zudem wird gleichzeitig eine Qualitätsprüfung der Matte durchgeführt. Durch die Bestimmung der Substratgeometrie ist eine geometrische Prüfung des Substrats ebenfalls im Verfahren enthalten. Somit läßt sich der zusätzliche Prüfaufwand reduzieren. Durch das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich der funktionale Parameter Druck kontrollieren und eine verbesserte Prozeßgenauigkeit sowie Wiederholbarkeit erreichen. Es wird eine verbesserte Qualität der hergestellten Abgasreinigungsvorrichtung erzielt; insbesondere eignet sich das Verfahren für sogenannte Ultradünnwandsubstrate.
Zu betonen ist, daß das dargestellte Verfahren nicht etwa für Versuchszwecke gedacht ist, bei denen ein einzelner Katalysator oder Partikelfilter hergestellt wird. Vielmehr ist das Verfahren gerade für die Massenfertigung gedacht, bei der jede einzelne Lagermatte zuvor auf Druck belastet und gemessen wird.

10: Substrat
12: Lagermatte
14: Außengehäuse
16: Einströmtrichter
18: Ausströmtrichter
20: Steuerung
22: Meßvorrichtung
22': CCD-Kamera
22'': Lasermeßvorrichtung
24: Zug-Druck-Prüfmaschine
25: Stempel
26: Teilbereich
27: Umformwerkzeug
28: Wickelvorrichtung
30, 32: Ränder
34: Backen
35, 36: Schalen

Claims

Verfahren zum Herstellen von abgasführenden Vorrichtungen, insbesondere Abgasreinigungsvorrichtungen, die jeweils ein Außengehäuse (14) mit einem darin geklemmten Einleger haben, wobei der Einleger ein abgasdurchströmtes Substrat (10) und ein das Substrat (10) umgebendes elastisches Ausgleichselement umfaßt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) jedes Ausgleichselement wird einzeln in vorbestimmter Weise durch Ausübung eines Druckes verformt, wobei lediglich ein Teilbereich (26) des Ausgleichselements belastet wird, b) aus den dabei ermittelten Werten wird die Sollverformung des Ausgleichselements, die zum Erreichen eines Solldrucks notwendig ist, bestimmt, c) das Ausgleichselement wird um das Substrat (10) gelegt, und d) der so erhaltene Einleger wird in einem Außengehäuse (14) montiert, dessen Innenabmessungen den Außenabmessungen des Einlegers bei der ermittelten Sollverformung entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedes Ausgleichselement ein vorbestimmter Druck ausgeübt und die Sollverformung dadurch bestimmt wird, daß die elastische Verformung des Ausgleichselement zumindest beim Erreichen des vorbestimmten Drucks gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte, aufgebrachte Druck der Druck ist, bei dem der Einleger mit dem Solldruck beaufschlagt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte, aufgebrachte Druck unterhalb des Solldrucks liegt und die Sollverformung aufgrund der Verformung bei der Beaufschlagung mit dem vorbestimmten Druck extrapoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Ausgleichselement durch Druckbeaufschlagung eine vorbestimmte Verformung hervorgerufen und die Sollverformung dadurch bestimmt wird, daß zumindest der zum Erreichen der vorbestimmten Verformung nötige Druck auf das Ausgleichselement gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Verformung unterhalb der Sollverformung liegt und die Sollverformung aufgrund des bei der vorbestimmten Verformung ausgeübten Druckes extrapoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Extrapolation mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird: Rückfederung des Außengehäuses, Aufweitung des Außengehäuses, Formänderung des Außengehäuses bei Temperaturänderungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Ermittlung der Sollverformung des Ausgleichselements die individuelle Außengeometrie des Substrats (10) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) zur Bestimmung der individuellen Außengeometrie gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem durch Ausübung eines Druckes verformten Teilbereich (26) des Ausgleichselements um einen zusammenhängenden Bereich handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Teilbereichs (26) weniger als die Hälfte, vorzugsweise zwischen 15 und 25 %, der Fläche des Ausgleichselements beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (26) ein vom Rand entfernter, insbesondere mittlerer Bereich des Ausgleichselements ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Abgaskatalysator oder ein Partikelfilter oder eine Kombination aus beiden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Außengehäuse (14) ein Blechgehäuse verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (14) durch Wickeln um den Einleger erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (14) durch Kalibrieren gegen den Einleger gepreßt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (14) aus mehreren Schalen (35, 36) besteht, die gegen den Einleger gepreßt und aneinander befestigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Einleger in ein vorgefertigtes zylindrisches Außengehäuse (14) gestopft wird, dessen Innenabmessungen den ermittelten Außenabmessungen des Einlegers entsprechen.