КОМПЕНСАТОР, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ В АВТОМОБИЛЯХ
COMPENSATOR, IN PARTICULAR, FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS

Настоящее изобретение касается компенсатора для компенсации относительных движений между двумя трубопроводными элементами, в частности в виде гибкого трубопроводного элемента для применений в автомобилях, включающего в себя многослойный сильфон, который в качестве стенки включает в себя по меньшей мере два находящихся друг на друге слоя, между каждыми из которых выполнено по промежуточному пространству.
В частности, в автомобилях, имеющих двигатель внутреннего сгорания, однако также у двигателей внутреннего сгорания вообще, стационарных и мобильных двигателей турбомашин, а также в промышленных установках и химических реакторах, во время эксплуатации возникают колебания и относительные движения, которые могут передаваться на трубопроводы. Они вызываются, например, вибрирующими массами, дисбалансом вращающихся конструктивных элементов и моментами инерции при изменениях нагрузки двигателя. Для уравновешивания движений трубопроводов, в частности вследствие вышеназванных колебаний или относительных движений, при термических изменениях длин и пр., из уровня техники известны т.н. компенсаторы, которые применяются в качестве гибкого трубопроводного элемента. При этом компенсация осуществляется механически через упругий сильфон компенсатора, который, в частности, может быть выполнен в виде многослойного сильфона.
В автомобилестроении, например, в выхлопном тракте, применяются многослойные металлические сильфонные компенсаторы, называемые также компенсаторами выхлопной системы, посредством которых горячие газообразные продукты сгорания направляются от двигателя в выхлопную систему. Такие компенсаторы обычно состоят из нескольких находящихся друг на друге, гофрированных слоев сильфона, которые газонепроницаемо сварены с трубами выхлопного трубопровода.
Вообще компенсаторы, в частности, представленные многослойные, металлические компенсаторы выхлопной системы, отличаются высокой изнашиваемостью. Износ появляется, например, в виде растрескивания слоев сильфона, что сильно ухудшает эксплуатацию компенсатора и вместе с тем работоспособность всего выхлопного тракта. Обычная мера для минимизации изнашиваемости заключается в применении для слоев сильфона более высококачественных сталей, в частности сплавов на основе никеля, обладающих высокими термо- и коррозионными стойкостями.
В выкладном описании изобретения к неакцептованной заявке DE 10 2008 017 599 A1 предлагается многослойный металлический сильфон, который посредством специального промежуточного слоя пытается препятствовать явлениям диффузионной сварки между отдельными слоями многослойных сильфонов при воздействии высоких температур, чтобы обеспечивать постоянство функциональных свойств сильфона и противодействовать повреждениям. Тем не менее, следует ожидать, что с помощью упомянутого компенсатора выхлопной системы еще не может достигаться достаточное снижение износа, так как, наряду с явлениями диффузионной сварки, часто могут возникать другие виды неисправностей.
Таким образом, задачей изобретения является предоставить усовершенствованный компенсатор, с помощью которого могут устраняться недостатки традиционных компенсаторов. В частности, задачей изобретения является предоставить усовершенствованный компенсатор, имеющий значительно сниженную изнашиваемость и вместе с тем улучшенную долговечность.
Изобретение решает эти задачи с помощью компенсатора с признаками п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и применения изобретения содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения и поясняются подробнее в последующем описании с частичной ссылкой на фигуры.
Проведенные в рамках изобретения исследования причины трещин у компенсаторов выхлопной системы, в частности трещин в сильфоне, показали, что они возникают вследствие относительных движений между слоями компенсатора, т.е. слоями сильфона, вызывающих трение. Эти трещины могут, в частности, возникать вследствие микроскопических движений между двумя находящимися в контакте, трущимися друг о друга слоями компенсатора, которые приводят к значительному повреждению поверхности. При более долгих сроках эксплуатации микроскопические движения могут приводить к усталостным трещинам, а также усталостным изломам в слоях компенсатора.
Для устранения таких обусловленных трением трещин в слоях компенсатора изобретение включает в себя общую техническую теорию, ввести между слоями компенсатора антифрикционный элемент, благодаря чему снижается трение между двумя слоями.
В соответствии с общими аспектами изобретения при этом предоставляется компенсатор для компенсации относительных движений между двумя трубопроводными элементами, в частности в виде гибкого трубопроводного элемента для применений в автомобилях. Компенсатор включает в себя многослойный сильфон, который в качестве стенки включает в себя по меньшей мере два находящихся друг на друге слоя, между которыми соответственно выполнено промежуточное пространство.
Предлагаемый изобретением компенсатор отличается тем, что по меньшей мере в одном промежуточном пространстве между двумя слоями имеется антифрикционный элемент. Имеющийся между двумя слоями антифрикционный элемент снижает трение между слоями, т.е. трение между слоями без введенного антифрикционного элемента больше, чем с введенным антифрикционным элементом. Таким образом, с помощью антифрикционного элемента снижается сила трения, которая создается вследствие движения двух находящихся друг на друге слоев друг относительно друга. Антифрикционный элемент образует в промежуточном пространстве между двумя слоями сильфона поверхность, обладающую свойствами снижения силы трения. Антифрикционный элемент может представлять собой уменьшающий трение промежуточный пласт или, соответственно, промежуточный слой, например, пласт, способствующий скольжению, или уменьшающее трение покрытие или лаковое покрытие.
По предпочтительному первому варианту осуществления антифрикционный элемент представляет собой уменьшающее трение покрытие и/или уменьшающее трение лаковое покрытие, которое нанесено по меньшей мере на один из двух слоев, примыкающих к данному промежуточному пространству, на их стороне, обращенной к промежуточному пространству. Этот вариант осуществления предлагается, в частности, тогда, когда изготовление предлагаемого изобретением компенсатора без добавления других конструктивных элементов должно интегрироваться в уже существующий способ изготовления, так как ввод уменьшающего трение промежуточного пласта может осуществляться, например, посредством предварительного покрытия или лакового покрытия труб с помощью уменьшающих трение компонентов, т.е. до вдвигания друг в друга и деформации труб с получением волнистого сильфона.
В одном из предпочтительных вариантов первого варианта осуществления уменьшающее трение покрытие и/или лаковое покрытие может представлять собой лак для скольжения. Посредством применения лаков для скольжения на соответствующей поверхности может получаться долговечное покрытие соответствующей поверхности без возникновения комков и сгустков смолы в слоях металлического сильфона.
По другому предпочтительному варианту первого варианта осуществления антифрикционный элемент представляет собой покрытие на основе твердого смазочного материала. Предпочтительными при применении твердых смазочных материалов являются высокая термостойкость и низкая растекаемость. Одним из особенно предпочтительных покрытий на основе твердого смазочного материала является, напр., сульфид молибдена(IV) (MoS2) или нитрид хрома(III) (CrN).
По второму варианту осуществления антифрикционный элемент выполнен в виде промежуточного слоя из снижающего трение твердого вещества. Промежуточный слой может быть, например, выполнен в виде промежуточной трубы. Этот вариант осуществления предпочтителен, в частности, тогда, когда слои сильфона вследствие заданных функциональных свойств не должны снабжаться покрытием и/или лаковым покрытием.
В одном из особенно предпочтительных вариантов второго варианта осуществления промежуточный слой представляет собой графитный промежуточный слой, в частности из связанного графита. Предпочтительными при применении графита или графитных волокон являются экстремально высокая термостойкость, а также высокие модули упругости, растяжимости или, соответственно, прочности на растяжение.
Один из шагов изготовления компенсатора обычно заключается в расширении надвинутых друг на друга труб, при этом каждая труба в готовом состоянии представляет собой один волнистый слой. Ввод промежуточного слоя осуществляется в процессе изготовления. Например, уменьшающая трение промежуточная труба может вдвигаться между двумя металлическими трубами сильфона перед шагом расширения.
Антифрикционный элемент может вводиться в каждое промежуточное пространство между двумя находящимися друг на друге слоями или же только в отдельные промежуточные пространства. Кроме того, антифрикционный элемент может распространяться в осевом направлении предпочтительно по всей длине сильфона, так что силы трения могут снижаться по всей осевой длине сильфона.
Но антифрикционный элемент может быть также расположен только в отдельных участках промежуточного пространства. Возможно, например, целенаправленное нанесение покрытия и/или лакового покрытия и/или промежуточного слоя на заданные точки давления промежуточного пространства сильфона. Предпочтительной здесь является возможность ограничения антифрикционного элемента заданными местами в сильфоне. Благодаря этому может получаться конструкция компенсатора, оптимизированная по стоимости и весу.
Стенка сильфона известным образом может быть выполнена по меньшей мере частично волнистой. Указанные по меньшей мере два находящихся друг на друге слоя могут представлять собой каждый металлические слои. Такой компенсатор называется также металлическим компенсатором. Благодаря описанному многослойному исполнению сильфона и благодаря волнистой стенке сильфона относительные движения уравновешиваются без применения различных материалов.
Компенсатор может также представлять собой компенсатор выхлопной системы, т.е. компенсатор, который применяется в выхлопном тракте автомобиля. Однако компенсатор может также применяться в качестве гибкого трубопроводного элемента для других применений, в частности в качестве компенсатора в промышленных установках, силовых машинах вообще, а также химических реакторах. Изобретение касается также автомобиля, в частности автомобиля промышленного назначения, имеющего расположенный в выхлопном трубопроводе компенсатор по одному из предыдущих п.п.
Описанные выше предпочтительные варианты осуществления и признаки изобретения могут любым образом комбинироваться друг с другом. Другие подробности и преимущества изобретения описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Показано:
фиг. 1: схематичный вид поперечного сечения компенсатора по первому варианту осуществления изобретения;
фиг. 2A, 2B и 2C: увеличенный детальный вид компенсатора по второму варианту осуществления изобретения.
На фиг. 1 изображен схематичный вид поперечного сечения компенсатора 1, который может применяться, например, в качестве компенсатора выхлопной системы в выхлопном отводящем трубопроводе. Компенсатор 1 включает в себя волнистый или, соответственно, гофрированный металлический сильфон 4. Компенсатор включает в себя также два подключения 2 и 3 для трубопроводов для образования фланцевых соединений, посредством которых компенсатор 1 встраивается в трубопровод, напр., выхлопной отводящий трубопровод (не изображено).
Сильфон 4 включает в себя в показанном варианте осуществления внутренний металлический слой 5a и наружный металлический слой 5b, которые вместе образуют волнистую стенку металлического сильфона 4. Между внутренним металлическим слоем 5a и наружным металлическим слоем 5b образуется промежуточное пространство Z, в которое введен антифрикционный элемент в виде сплошного промежуточного слоя 6 из снижающего трение твердого вещества, распространяющегося по всей длине сильфона и примыкающего к подключениям 2 и 3 для трубопроводов.
Один из шагов изготовления компенсатора обычно заключается в расширении или, соответственно, деформации надвинутых друг на друга труб. Термин «расширение» или «деформация» включает в себя в этом контексте изготовление характерной для сильфона, волнистой стенки, исходя из цилиндрического конструктивного элемента. В настоящем случае для изготовления компенсатора 1 промежуточная труба из связанного графита, которая образует промежуточный слой 6, надвигается на первую металлическую трубу, которая образует внутренний металлический слой 5a. Затем на промежуточную трубу надвигается наружная металлическая труба, которая образует наружный металлический слой 5b. Затем осуществляется расширение или, соответственно, деформация сильфона для изготовления волнистой формы стенки.
В изображенном варианте осуществления стенка для компенсации относительных движений подключений 2 и 3 для трубопроводов, начиная от внутренней области L трубопровода, образует несколько периодически расположенных выпуклых и вогнутых извилистостей, которые имеют по существу одинаковый внутренний диаметр d. Равным образом, как форма и количество извилистостей, так и отношение внутреннего диаметра трубопроводных элементов 2 и 3 могут варьироваться и целесообразно адаптироваться любым образом.
Когда компенсатор 1 испытывает нагрузку растяжения, сжатия или изгиба, внутренний слой 5a, наружный слой 5b, а также введенный промежуточный слой 6 деформируются соответственно действующим силам. Однако благодаря введенному промежуточному слою 6 силы трения, действующие на внутренний и наружный слой, значительно снижаются.
Фиг. 2A, 2B и 2C очень схематизировано иллюстрируют другие примеры осуществления и показывают каждая только увеличенный детальный вид компенсатора, который соответствует детальному виду A с фиг. 1.
Показанные на фиг. 2 A, 2B и 2C примеры осуществления отличаются от первого примера осуществления тем, что антифрикционный элемент выполнен в виде уменьшающего трение покрытия или лакового покрытия 26, которое нанесено по меньшей мере на один из слоев 5a, 5b на стороне, обращенной к промежуточному пространству Z. На фиг. 2A, 2B и 2C это уменьшающее трение покрытие изображено в каждом случае в виде заштрихованной области 26. Показаны три варианта, включая вариант, показанный на фиг. 2A, по которому уменьшающее трение покрытие 26 нанесено на внутренний слой 5a сильфона 4, вариант, показанный на фиг. 2B, по которому уменьшающее трение покрытие 26 нанесено на наружный слой 5b сильфона 4, и вариант, показанный на фиг. 2C, по которому уменьшающее трение покрытие 26 нанесено на внутренний и наружный слой 5a и 5b сильфона 4.
Подчеркивается, что изображение фиг. 2A, 2B и 2C является очень схематизированным изображением без соблюдения масштаба. Вследствие деформации сильфона 4 с получением волнистого конструктивного элемента промежуточное пространство Z становится очень маленьким или, соответственно, частично его больше нет, так что слои 5a, 5b уже в новом состоянии могут контактировать друг с другом через уменьшающее трение покрытие 26.
Уменьшающее трение покрытие или, соответственно, лаковое покрытие 26 способствует тому, что трение между слоями снижается, т.е. трение между слоями без покрытия больше, чем с покрытием. Покрытие 26 может, например, представлять собой покрытие на основе твердого смазочного материала, напр., MoS2 или CrN.
Нанесение покрытия и/или лакового покрытия, которое нанесено по меньшей мере на один из двух примыкающих к промежуточному пространству Z слоев 5a и 5b на их стороне, обращенной к промежуточному пространству Z, осуществляется предпочтительно перед сборкой сильфона, т.е. перед надвиганием друг на друга и расширением металлических труб, которые образуют слои 5a и 5b. Однако возможен также процесс нанесения покрытия после осуществления монтажа.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на определенные примеры осуществления, для специалиста является очевидным, что могут выполняться разные изменения и взамен могут применяться эквиваленты без выхода из области изобретения. Дополнительно могут выполняться многие модификации без выхода из соответствующей области. Следовательно, изобретение не должно быть ограничено раскрытыми примерами осуществления, а должно включать в себя все примеры осуществления, которые попадают в область прилагаемых пунктов формулы изобретения. В частности, изобретение претендует на охрану предмета и признаков зависимых пунктов формулы изобретения, независимо от пунктов формулы изобретения, на которые делалась ссылка.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
A Фрагмент
d Внутренний диаметр
L Внутренняя область трубопровода
Z Промежуточное пространство
1 Компенсатор
2 Первый трубопроводный элемент
3 Второй трубопроводный элемент
4 Сильфон
5a Внутренний слой сильфона
5b Наружный слой сильфона
6 Уменьшающий трение промежуточный слой
26 Уменьшающее трение покрытие