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Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter, insbesondere Druckluftbehälter zur Speicherung von Druckluft eines druckluftbetriebenen Bremssystems eines Nutzfahrzeuges nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
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Druckluftbehälter für Fahrzeuge weisen einen rohr- bzw. zylinderförmigen Mantel auf, der an beiden Enden durch angeschweißte Böden verschlossen ist. Zumindest ein Boden und/oder der Mantel sind mit wenigstens einer Bohrung versehen, an die sich Anschlusselemente, z.B. in Form eines Gewinderings bzw. Anschlussstutzens und ggf. auch meist konsolenartige Halterungen anschließen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2009 020 385 A1 ist ein Druckluftbehälter für Nutzfahrzeuge sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Herstellung bekannt, wobei die Böden durch Laserschweißen mit dem zylindrischen Mantel verbunden werden.
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Ein Druckbehälter in Form eines Straßenfahrzeugtransportbehälters, wie Tankwagenauflieger oder für Tankcontaineranordnungen wird in
DE 10 2008 064 364 A1 beschrieben. Dieser weist einen Mantel auf, der mehrteilig aus nebeneinander liegenden teilzylindrischen Mantelschalengebildet wird, die eine in Längsrichtung verlaufende Sicke aufweisen und dessen Stirnenden jeweils mit einem gewölbten Boden verschlossen sind. Zwischen den teilzylindrischen Schalen ist ein insbesondere als ebene Wand ausgebildetes Zugelement angeordnet, dessen oberer bzw. unterer Rand in den oberen bzw. unteren Sickenbereich hineinragt bzw. diesen durchsetzt. Weiterhin ist ein die Mantelschalen und das Zugelement verbindendes in Längsrichtung verlaufendes Schalenelement vorgesehen, das wenigstens abschnittsweise mit den Mantelschalen und mit dem insbesondere abgekanteten Rand des Zugelements fest verbunden ist, so dass im Sickenbereich eine Trägerstruktur gebildet wird.
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Ähnliche Lösungen von Druckbehältern als Transportbehälter für einen Sattelzug sind beispielsweise aus den Druckschriften
DE 29 51 554 A1 ,
DE 36 06 247 C1 und
DE 696 32 342 T2 bekannt. Nachteilig ist der mehrteilige Aufbau des Mantels aus zwei teilzylindrischen Bereichen, die über einen Zuganker miteinander verbunden sind. Diese zum Transport vorgesehenen sehr großen Druckbehälter sind zum Einsatz als Druckluftbehälter zur Speicherung von Druckluft eines druckluftbetriebenen Bremssystems eines Nutzfahrzeuges nicht geeignet.
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Es existiert in vielen Anwendungsfällen insbesondere bei Anwendungen für Druckluftbehälter für Bremssysteme von Nutzfahrzeugen ein eingeschränkter Bauraum, so dass ein zylindrischer Druckluftbehälter für diesen zu groß baut.
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Es sind auch andere Behälterformen bekannt, z.B. wird in der Druckschrift
CH 193873 eine Druckgaskammer einer Azetylen Druckgaserzeugungsanlage beschrieben, welche in der Form eines aufrecht stehenden Ovals mit umfangsseitig gleicher Wanddicke ausgebildet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Druckbehälter, insbesondere Druckluftbehälter zur Speicherung von Druckluft eines druckluftbetriebenen Bremssystems eines Nutzfahrzeuges zu entwickeln, der einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist, auch bei einem geringen Bauraum einsetzbar ist und hohen Drücken standhält.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Druckbehälter ist bevorzugt in Form eines Druckluftbehälter zur Speicherung von Druckluft eines druckluftbetriebenen Bremssystems eines Nutzfahrzeuges ausgebildet und weist einen Mantelbereich auf, der sich entlang einer Längsachse des Behälters erstreckt, wobei sich an den Mantelbereich zwei Böden anschließen und der Mantelbereich erfindungsgemäß rohrförmig mit einem unrunden Querschnitt mit zumindest bereichsweise unterschiedlichen Krümmungen ausgebildet ist, so dass der Querschnitt des Mantelbereiches eine Breite und eine im Vergleich dazu geringere Höhe aufweist. Dadurch ergibt sich im Vergleich zu herkömmlichen Druckgasbehältern mit rundem Querschnitt bei im Wesentlichen gleichen Volumen eine flachere Bauform, die dem oft beschränkten Bauraum des Nutzfahrzeuges Rechnung trägt. Bevorzugt ist der Querschnitt des Mantelbereiches senkrecht zur Längsachse des Druckluftbehälters oval ausgebildet. Dabei kann erfindungsgemäß der ovale Querschnitt nur aus Kreisbögen oder auch aus Kreisbögen und Geradenstücken zusammengesetzt sein. Bevorzugt ist der ovale Querschnitt des Mantelbereiches symmetrisch ausgebildet. In einer bevorzugten Variante ist der Querschnitt des Mantelbereiches elliptisch ausgebildet.
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Vorzugsweise weist der Mantelbereich des Druckbehälters einen Querschnitt auf, bei dem zwischen zwei sich gegenüberliegenden Bereichen mit einem ersten Krümmungsverlauf zwei Bereiche mit einem im Vergleich zum ersten Krümmungsverlauf stärker gekrümmten zweiten Krümmungsverlauf angeordnet sind.
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Bevorzugt ist der Mantelbereich senkrecht zur Behälterlängsachse oval ausgebildet oder aus unterschiedlichen größeren und kleineren Radien zusammengesetzt, so dass sich ein nicht kreisförmiger Querschnitt aber dennoch ein gebogener Querschnittsverlauf ergibt. Da in den Bereichen des Mantels, die einen kleinen Krümmungsradius aufweisen, unter Innendruckbeanspruchung hohe Zug-Spannungen in der Innenfaser am Behältermantel auftreten, besteht bei einer hohen Druckbeanspruchung die Gefahr, dass die kleinste Krümmungsbereiche (bzw. der Bereich mit dem geringsten Radius) der Behälterwand aufgebogen wird, wodurch Zugspannungen auf der Innenseite dieser Bereiche entstehen. Daher ist es vorteilhaft, dass der Mantelbereich in den Bereichen mit dem zweiten Krümmungsverlauf (in Bereichen mit geringem Krümmungsradius im Mantelbereich) eine größere Wandstärke aufweist, als in den Bereichen mit dem ersten Krümmungsverlauf.
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Die Herstellung des Mantelbereiches kann dabei beispielsweise aus einem Blech durch Walzen mit einer CNC-gesteuerten Walz-Maschine erfolgen wobei beim Walzen unterschiedliche Materialdicken des Behältermantels über dessen späteren Umfang einstellbar sind. Dann erfolgt das Längsnahtschweißen zur Herstellung des Mantelrohres mit ovalem Querschnitt und ggf. mit erhöhter Wanddicke in den Bereichen mit der kleinsten Krümmung bzw. dem kleinsten Radius. Danach werden der Mantel und die der Querschnittsform des Mantels angepassten Böden miteinander verschweißt, z.B. durch Rundnaht-Schweißen auf einer modifizierten Anlage (z.B. mit einem radial zur Behälterachse bewegliche Brenner) Dabei kann der Mantelbereich durch Abstützungselemente an seiner Innenseite und/oder seiner Außenseite verstärkt bzw. abgestützt sein.
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Beispielsweise kann der Mantelbereich durch eine oder mehrere außen angebrachte umfangsseitig umlaufende erste Verstärkungsstrukturen abgestützt sein. Die Verstärkungsstrukturen werden vor oder nach dem Verbinden der Böden mit dem Mantelbereich an dem Mantelbereich befestigt, z.B. durch Schweißen, Löten, Kleben oder auch durch eine kraftschlüssige Fügeverbindung.
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Die umlaufenden ersten Verstärkungsstrukturen sind bevorzugt rippenartig ausgebildet, in gleichen oder unterschiedlichen Abständen auf dem Mantelbereich angeordnet und erstrecken sich senkrecht zur Längsachse des Druckbehälters. Die ersten Verstärkungsstrukturen können umfangsseitig insbesondere rechteckig ausgebildet sein. Es besteht die Möglichkeit, dass der Druckbehälter über eine oder mehrere erste Verstärkungsstrukturen am Nutzfahrzeug befestigt ist. Dazu können die Verstärkungsstruktur/en, die zur Befestigung dienen, auch konstruktiv entsprechend anders ausgestaltet sein, als die Verstärkungsstrukturen, die nicht zur Befestigung dienen.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Mantelbereich durch eine oder mehrere innen angebrachte zweite Verstärkungsstrukturen abgestützt werden.
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Bevorzugt ist wenigstens eine zweite wandartige Verstärkungsstruktur zwischen den sich gegenüberliegenden Bereichen des Mantelbereiches mit dem ersten Krümmungsverlauf angeordnet, die mit den Innenseiten des Mantelbereiches verbunden oder mit dem Mantelbereich einteilig ausgebildet ist. Die zweite Verstärkungsstruktur kann dabei eine oder mehrere Öffnungen aufweisen.
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Der Mantelbereich und die Böden und/oder die erste und/oder zweite Verstärkungsstruktur bestehen bevorzugt aus metallischem Werkstoff wie z.B. Stahl oder Aluminium. Alternativ kann auch Kunststoff, faserverstärkter Kunststoff oder eine Kombination der vorgenannten Materialien (Stahl, Aluminium, Kunststoff, faserverstärkter Kunststoff) zum Einsatz kommen.
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Dabei ist es auch möglich, dass die erste und/oder zweite Verstärkungsstruktur aus einem anderen Material besteht als der Mantelbereich und die Böden.
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Bevorzugt bestehen der Mantelbereich, die Böden und die erste und/oder zweite Verstärkungsstruktur aus Stahl oder Aluminium und sind miteinander stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die ersten und/oder zweiten Verstärkungsstrukturen einteilig mit dem Mantelbereich ausgebildet sind, dies kann beispielsweise realisiert werden, wenn der Mantelbereich mit den Verstärkungsstrukturen durch Druckguss (z.B. Aludruckguss) aus Metall oder durch Spritzgießen aus Kunststoff oder auch durch andere geeignete Fertigungsverfahren hergestellt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine ISO Ansicht des erfindungsgemäßer Druckluftbehälters,
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2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Druckluftbehälters senkrecht zur Längsachse mit einem Beispielprofil aus Kreisabschnitten,
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3 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Druckluftbehälters senkrecht zur Längsachse mit einem Beispielprofil in der Art einer Ellipse,
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4 eine ISO Ansicht eines Druckluftbehälters mit einer äußeren Verstärkungsstruktur in Form umlaufender Rippen,
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5 eine ISO Ansicht eines Druckluftbehälter mit einer inneren Verstärkungsstruktur,
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6 einen Querschnitt eines Mantelbereiches, bei dem sich die Wandstärke vom Bereich der geringsten Krümmung bis zum Bereich der größten Krümmung stetig vergrößert,
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7 einen Querschnitt eines Mantelbereiches, bei dem sich die Wandstärke nur im Bereich der größten Krümmung vergrößert,
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8 einen Querschnitt eines Mantelbereiches, im Bereich der größten Krümmung durch ein eingeschweißtes Blech vergrößert ist,
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9 einen Querschnitt eines Mantelbereiches, bei dem sich zwischen den unterschiedlichen Krümmungsverläufen ein gerader Bereich ausgebildet ist,
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10 einen Querschnitt eines Mantelbereiches mit einem nicht symmetrischen Oval.
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1 zeigt einen Druckluftbehälter 1 für ein druckluftbetriebenes Bremssystem eines Nutzfahrzeuges z.B. eines LKWs in dreidimensionaler Ansicht, der einen sich entlang der Längsachse A des Behälters 1 erstreckenden Mantelbereich 2 mit ovalem Querschnitt aufweist. An die Endseiten des Mantelbereiches 2 schließen sich Böden 4 an.
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Der im Querschnitt ovale Mantelbereich 2 wurde z.B. aus Stahlblech durch Walzen mit einer CNC-gesteuerten Walz-Maschine eingerollt und mit einer Längsnaht 3 zur Herstellung des Mantelbereiches 2 mit ovalem Querschnitt geschweißt. Die Verbindung des Mantelbereiches 2 mit den beiden endseitigen Böden 4 erfolgt dann z.B. durch Rundnaht-Schweißen auf einer modifizierten Anlage mit einem radial zur Behälterachse beweglichen Brenner, der dem ovalen Wandverlauf des Mantelbereiches folgt. In den 2 und 3 sind zwei Varianten des Mantelbereiches aus der Seitenansicht eines Behälters dargestellt.
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Gemäß 2 ist der Mantelbereich 2 des Druckluftbehälters 1 aus Kreisabschnitten zusammengesetzt, wobei der Mantelbereich 2 einen Querschnitt aufweist, bei dem zwischen zwei sich gegenüberliegenden Bereichen mit einem ersten Krümmungsverlauf K1, der jeweils fett gestrichelt markiert ist, zwei Bereiche mit einem im Vergleich zum ersten Krümmungsverlauf K1 stärker gekrümmten zweiten Krümmungsverlauf K2, der gepunktet markiert wurde, angeordnet sind.
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Die beiden sich gegenüberliegenden Bereiche mit dem ersten Krümmungsverlauf K1 werden aus zwei aneinander anschließenden ersten Kreisabschnitten R1 gebildet. Die beiden anderen um 90° dazu versetzt angeordneten Bereiche mit dem zweiten Krümmungsverlauf K2 werden ebenfalls aus zwei aneinander grenzenden zweiten Kreisabschnitten R2 gebildet, die einen geringeren Radius aufweisen als die ersten Kreisabschnitte R2. Die ersten und zweiten Kreisabschnitte R1 und R2 schließen bevorzugt tangential aneinander an. Es ist ersichtlich, dass auch der Boden 4 umfangsseitig dem Querschnitt des Mantelbereiches 2 angepasst ist. Es ergibt sich dadurch eine flache Bauform des Druckluftbehälters 1 mit einer im Vergleich zur Breite b geringeren Höhe h
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Die in 3 dargestellte Seitenansicht zeigt einen Druckluftbehälter 1, welcher einen Mantelbereich 2 mit einem Querschnitt in Form einer Ellipse aufweist. Dadurch ergeben sich ebenfalls zwei sich gegenüberliegende Wandbereiche des Mantelbereiches 2, die einen ersten Krümmungsverlauf K1 (gestrichelt angedeutet) aufweisen, der relativ wenig gekrümmt ist. Zwischen den sich gegenüberliegenden Bereichen mit dem ersten Krümmungsverlauf K1 sind zwei zweite Krümmungsbereiche (gepunktet verdeutlicht) ausgebildet, die eine wesentlich größere späherische Krümmung aufweisen, als der erste Krümmungsverlauf K1. Der Boden 4 weist einen ellipsenförmigen Umfang auf, welcher dem ellipsenförmigen Querschnitt des Mantelbereiches 2 angepasst ist. Auch hier weist der Druckluftbehälter 1 mit einer im Vergleich zur Breite b eine geringere Höhe h auf.
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Aus 4 ist eine ISO Ansicht eines Druckbehälters 1 gem. 3 mit elliptischem Querschnitt des Mantelbereiches 2 ersichtlich, der beidseitig einen nach außen gewölbten Boden 4 mit einem elliptischen Umfang aufweist und mit äußeren ersten Verstärkungsstrukturen 5 umfangsseitig verstärkt ist. Die ersten Verstärkungsstrukturen 5 sind in Form umlaufender Rippen ausgebildet und in gleichen Abständen zueinander angeordnet. Die ersten Verstärkungsstrukturen 5 erstrecken sich senkrecht zur Längsachse A des Behälters 1 und weisen einen rechteckigen Umfang auf. Wie in 1 weist der Mantelbereich eine Längsnaht 3 auf. Bestehen der Mantelbereich 2, die Böden 4 und die ersten Verstärkungsstrukturen 5 aus metallischem Werkstoff (z.B. Stahl oder Aluminium) werden diese Komponenten miteinander verschweißt. Die Verstärkungsstrukturen 5 erlauben durch ihren rechteckigen Außenumfang eine einfache Positionierung an einem angrenzenden Bauteil bzw. auch die einfache Befestigung an einem angrenzenden Bauteil des Nutzfahrzeuges, so dass diese eine Doppelfunktion realisieren.
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5 zeigt eine ISO Ansicht eines Teils eines Druckluftbehälters 1 mit einer inneren wandartigen zweiten Verstärkungsstruktur 6, die sich zwischen den weniger stark gekrümmten ersten Krümmungsbereichen K1 des Mantelbereiches 2 senkrecht zur Längsachse A des Behälters 1 erstreckt. Die zweite Verstärkungsstruktur 6 weist mehrere Durchbrüche 7 auf. Besteht der Mantelbereich 2 aus metallischem Werkstoff wird auch die zweite Verstärkungsstruktur 6 aus einem bevorzugt gleichem metallischen Material gefertigt und z.B. eingeschweißt. Dabei ist es möglich, beim Herstellen der Längsnaht 3 zur Bildung des Mantelbereiches 2 gleichzeitig die zweite Verstärkungsstruktur 6 an dieser Seite anzuschweißen. Die der Längsnaht 3 gegenüberliegende Seite der zweiten Verstärkungsstruktur 6 wird vorher oder anschließend eingeschweißt.
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Es ist weiterhin möglich, auf die ersten und/oder zweiten Verstärkungsstrukturen zu verzichten, wenn die zweiten Krümmungsbereiche K2 des Mantelbereiches 2, welche stärker gekrümmt sind, eine Verstärkung aufweisen.
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In den 6 und 7 wird die Verstärkung der zweiten Krümmungsbereiche durch eine vergrößerte Wanddicke s2 erzeugt.
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6 zeigt den Querschnitt eines Mantelbereiches 2, bei dem sich die Wandstärke von den nicht bezeichneten Bereichen mit einer geringen Krümmung von einer geringen Wanddicke s1 auf eine größte Wanddicke s2 im Bereich mit dem größten zweiten Krümmungsbereich K2 (gepunktet angedeutet) stetig erhöht.
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Gemäß 7 kann im zweiten Krümmungsbereich mit der größten Krümmung auch partiell eine Wanddickenerhöhung von einer Wanddicke s1 auf eine Wanddicke s2 vorhanden sein.
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Gemäß 8 besteht auch die Möglichkeit innerhalb des Mantelbereiches in den beiden zweiten Krümmungsbereichen K2 die Wanddicke von einer Wanddicke s1 auf eine Gesamtwanddicke s2 zu erhöhen, indem ein zusätzliches Blech 8 innen an die Wand geschweißt wird, dessen Krümmung dem zweiten Krümmungsbereich angepasst ist. Alternativ kann auch außen am Mantelbereich des Druckluftbehälters im Bereich mit der größten Krümmung ein Blech angeschweißt sein, durch welches eine größere Gesamtwanddicke im Bereich mit der größten Krümmung realisiert wird. Das innen oder außen im Bereich mit der größten Krümmung angeschweißte Blech erstreckt sich über die gesamte Länge des Mantelbereiches.
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Ein großer Vorteil besteht darin, dass der einteilige rohrförmige Mantelbereich einen ovalen oder aus mehreren unterschiedlichen Radien zusammengesetzten Querschnitt (unrunden Querschnitt) mit einer größeren Breite und einer im Vergleich dazu geringeren Höhe des Querschnitts aufweist, der im Unterschied zu herkömmlichen runden Druckluftbehältern für Bremssysteme einem zur Verfügung stehenden „flachen“ Bauraum einsetzbar ist.
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Gemäß 9 kann der Mantelbereich 2 in seinem Querschnitt auch aus Kreisbögen und geraden Stücken zusammengesetzt sein. Hier ist zwischen den ersten und zweiten Krümmungsbereichen K1, K2 jeweils eine Gerade E ausgebildet.
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Weiterhin ist es auch möglich, den Mantelbereich 2 in seinem Querschnitt als nicht symmetrisches Oval auszubilden, wie es beispielhaft in 10 dargestellt ist. Auch hier liegen sich die ersten Krümmungsbereiche K1 im Wesentlichen gegenüber und zwischen diesen sind zweite Krümmungsbereiche K2 mit einem kleineren Krümmungsradius ausgebildet. Die Konstruktion dieses Ovals erfolgte mit nichtkonzentrischen Kreisen. Die erfindungsgemäße Lösung stellt für den Nutzfahrzeugbereich in Abwandlungen eines Standard-Behälters mit zylindrischem Querschnitt und tiefgezogenen Böden in Klöpper- oder Korbbogen-Form oder mit flachen Böden einen Druckluftbehälter insbesondere für ein druckluftbetriebenes Bremssystem eines Fahrzeuges zur Verfügung, bei welchem der Querschnitt entweder aus einer Ellipse oder aus jeweils 2 sich gegenüberliegenden und bevorzugt tangential ineinander übergehenden Kreisausschnitten mit unterschiedlichen Radien besteht. Die Herstellung des Mantels aus metallischem Werkstoff erfolgt beispielsweise durch Walzen mit einer CNC-gesteuerten Walz-Maschine, danach erfolgt ein Längsnahtschweißen zur Herstellung des Mantelrohres (Mantelbereiches) mit z.B. ovalem oder elliptischem Querschnitt und anschließend die Verbindung von Mantel und Böden durch z.B. Rundnaht-Schweißen auf einer modifizierten Anlage. Die Vorteile bestehen in der besseren Ausnutzung quaderförmiger oder im Querschnitt unregelmäßiger Bauräume. Bei dem ovalen oder elliptischen Druckbehälter besteht die Gefahr darin, dass in den Bereichen des Mantels, die einen kleinen Krümmungsradius aufweisen, hohe Zug-Spannungen in der Innenfaser am Behältermantel auftreten, denn bei einer hohen Druckbeanspruchung besteht ein Problem darin, dass die kleinste Krümmung der Behälterwand aufgebogen wird, wodurch Zugspannungen auf der Innenseite dieser Bereiche entstehen. Dies wird durch die erfindungsgemäßen Verstärkungsstrukturen bzw. Verstärkungen vermieden.
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Es besteht auch die Möglichkeit die Komponenten (Mantelbereich, Böden, Verstärkungsstrukturen/Verstärkungen) aus Kunststoff, faserverstärkten Kunststoff wie z.B. Organoblech oder aus Kombinationen daraus oder dergleichen herzustellen.
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Es ist selbstverständlich, dass der Druckbehälter entsprechende Anschlüsse und Befestigungsmöglichkeiten aufweist, auf deren Darstellung hier verzichtet wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckluftbehälter
- 2
- Mantelbereich
- 3
- Längsnaht
- 4
- Böden
- 5
- erste Verstärkungsstrukturen
- 6
- zweiten Verstärkungsstruktur
- 7
- Durchbrüche
- 8
- Blech
- A
- Längsachse
- b
- Breite
- h
- Höhe
- E
- gerade Bereiche
- K1
- erster Krümmungsverlauf
- K2
- zweiter Krümmungsverlauf
- R1
- erster Kreisabschnitt
- R2
- zweiter Kreisabschnitt
- s1
- Wanddicke
- s2
- vergrößerte Wanddicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009020385 A1 [0003]
- DE 102008064364 A1 [0004]
- DE 2951554 A1 [0005]
- DE 3606247 C1 [0005]
- DE 69632342 T2 [0005]
- CH 193873 [0007]