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Patent Searching and Data


Title:
BELLOWS FOR FIXED JOINTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1985/005422
Kind Code:
A1
Abstract:
Bellows for fixed joints are made from a polyether ester thermoplastic elastomer and are intended to be used at low temperatures. Their fabrication length L exceeds the mounting length thereof l. The ratio between the width B of the folds (1, 2, 19, 20, 21) and their height H is equal or higher than 1. The front flanks (3) determine an angle beta which is higher for the first fold (1) and lower for the last fold (2) than the angle gamma of the rear flanks (4).

Inventors:
FRANK SIEGFRIED (DE)
GLUEHMANN GUENTER (DE)
KEINRAD KLAUS (DE)
ZIGELLI RICHARD (DE)
Application Number:
PCT/EP1985/000206
Publication Date:
December 05, 1985
Filing Date:
May 07, 1985
Export Citation:
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Assignee:
FELDMUEHLE AG (DE)
International Classes:
F16D3/16; F16D3/84; F16J3/04; (IPC1-7): F16D3/84
Foreign References:
FR2434305A11980-03-21
FR2414144A11979-08-03
GB2012022A1979-07-18
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Claims:
Patentansprüche
1. Faltenbalg für Festgelenke mit hoher Aus¬ lenkung, bestehend aus einem thermoplastischen Elastomeren auf der Basis von Polyetherester, der eine festgelegte Fertigungslänge aufweist und mindestens drei Falten besitzt, die durch jeweils eine unter einem Winkel verlaufende Vorder und Rückflanke gebildet werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) die Fertigungslänge L unterscheidet sich von der Einbaulänge 1, b) das Verhältnis von Breite B der Falten (1, 2, 19, 20, 21) zu ihrer Höhe H ist gleich oder größer 1 , c) die Vorderflanken (3) verlaufen unter einem Winkel p , die Rückflanken (4) unter einem Winkel J> zur Senkrechten (23) der Mittel¬ linie (18) des Faltenbalges (13), wobei der Winkel p mindestens bei der ersten Falte (1) größer und bei der letzten Falte (2) gleich oder kleiner als der Winkel ist.
2. Faltenbalg nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Fertigungslänge L das 1,2 bis 3,0fache der Einbaulänge 1 ist.
3. Faltenbalg nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Faltenbreite B zu Faltenhöhe H 1 : 1 bis 1 : 0,65 beträgt.
4. Faltenbalg nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ß das 1,15 bis 1,5fache des Winkels ]S beträgt.
Description:
Faltenbalg für Festgelenke

Die Erfindung betrifft einen Faltenbalg für Festgelenke mit einer hohen Auslenkung, bestehend aus einem thermo^-plastischen Elastomeren auf der Basis von Polyetherester, der eine festgelegte Fertigungslänge aufweist und mindestens drei Falten besitzt, die durch jeweils eine unter einem Winkel verlaufende Vorder- und Rückflanke gebildet werden.

Faltenbälge für Festgelenke, insbesondere für homokinetische Gelenke, sind seit langem bekannt und werden im allgemeinen aus natürlichen oder synthetischen Kautschuken und deren Abmischungen gefertigt. Der Bereich der Auslenkung wurde dabei kontinuierlich vergrößert, weil durch diese Faltenbalg-Konstruktionen im wesentlichen Gelenkwellen von Fahrzeugantrieben geschützt werden sollen und man bestrebt ist, beim Fahrzeug den Wendekreis möglichst klein zu halten. Durch die Forderung, einer Auslenkung von bis zu 50 Grad standzuhalten, werden erhebliche An- forderungen an den Faltenbalg gestellt, die noch dadurch verschärft werden, daß der Faltenbalg in

seinem inneren Fett aufnehmen und recht hohe Drehzahlen über einen langen Zeitraum von 8 bis 10 Jahren aushalten muß.

Eine weitere Forderung ist die Einsetzbarkeit des Faltenbalges unter extremen Witterungsbe¬ dingungen, d. h. er sollte ohne Alterungser¬ scheinungen sowohl im heißen Wüstenklima als auch im kalten Polarbereich verwendet werden können. Die Praxis ergab hier, daß hohe Kältegrade sehr häufig zur Rißbildung im Faltenbalg führten, d. h. , daß damit ausgerüstete Fahrzeuggelenke durch in den gerissenen Faltenbalg eintretenden Schmutz nach kurzer Zeit verschlissen waren. Um die kältetechnischen Probleme zu lösen, wurde ein neuer Werkstoff entwickelt. Ein thermoplastisches Elastomer auf Basis von Polyetherester. Dieses Material weist eine hohe Kältebeständigkeit auf. Die elastische Dehnung, die bei bisher üblichen Materialien auf Kautschukbasis bei ca. 400 % und mehr liegt, ist jedoch wesentlich geringer und liegt im Bereich von 25 % . Für die konstruktive Auslegung können max. nur 10 % genutzt werden. Damit treten bei der Montage und auch im Einsatz der Achsmanschette völlig andere Eigenschaften auf, so daß besondere Schritte ergriffen werden müssen, um aus diesem Material einen Faltenbalg zu gestalten, der den gestellten hohen An¬ forderungen gerecht wird. Der vorliegenden Anmeldung liegt damit die Aufgabe zugrunde, aus einem thermoplastischen Elastomeren auf Basis von Polyetherester einen Faltenbalg für Festge . lenke mit hoher Auslenkung zu erstellen, der ohne

Überschreitung der zulässigen geringen ela¬ stischen Dehnung auch bei tiefen Temperaturen, wie sie in Gebieten um den Polarkreis auftreten, eine dynamische Auslenkung von 50 Grad ohne Schäden übersteht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Faltenbalg für Festgelenke mit hoher Auslenkung, bestehend aus einem thermoplastischen Elastomeren auf der Basis von Polyetherester, der eine festgelegte Fertigungslänge aufweist und mindestens drei Falten besitzt, die durch jeweils eine unter einem Winkel verlaufende Vorder- und Rückflanke gebildet werden, der durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet ist: a) die Fertigungslänge L unterscheidet sich von der Einbaulänge 1, b) das Verhältnis von Breite B der Falten zur Höhe H der Falten ist gleich oder größer 1 , c) die Vorderflanken verlaufen unter einem Winkel ß die Rückflanken unter einem Winkel > zur Senkrechten der Mittellinie des Faltenbalges, wobei der Winkel ß mindestens bei der ersten Falte größer und bei der letzten Falte gleich oder kleiner als der Winkel j-9 ist.

Als erste Falte im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird die Falte verstanden, die auf der dem Gelenk abgewandten Seite des Faltenbalges, im allgemeinen also auf der Seite, die den kleinen Wellendurchmesser aufweist, angeordnet ist. Die letzte Falte ist demgemäß die Falte, die in unmittelbarer Nähe des Gelenkes sich befindet.

Bei Beugen des Gelenkes wird der Faltenbalg auf der Winkelaußenseite der Beugung gestreckt und auf der Winkelinnenseite der Beugung zusammenge¬ drückt. Im Bereich der kleinen Falten, also im Bereich der Falte eins, ist es dabei häufig so, daß ein direktes Überstülpen im inneren Bereich stattfindet und sich im Außenbereich der Beugung eine Einknickung ergibt, die quer zur Faltenan¬ ordnung und damit längs zur Welle verläuft. Die bisher üblichen Kautschukmaterialien vertragen sowohl die Einknickung als auch die Überstülpung. Bei Materialien, wie Polyetheresterelastomeren, führt aber sowohl die Überstülpung als auch die Einknickung mit Sicherheit nach kurzer Zeit zum Bruch der Manschette.

In gewissem Rahmen kann man durch Erhöhung der Faltenzahl der Gefahr der Einknickung begegnen, erhöht damit aber andererseits gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit, daß im Innenbereich der

Beugung ein Überstülpen der Manschette erfolgt, was bei diesen Materialien, wie oben ausgeführt, genauso schädlich ist. Gemäß der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß bei der Fertigung der Manschette die Falten eine relativ große Faltenbreite B aufweisen, die erst im Einbauzustand verringert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dabei die Fertigungslänge das 1,2- bis 3,0-fache der Einbaulänge. Aufgrund der gestreckten Fertigungs¬ länge lassen sich die Falten mit wesentlich größerer Genauigkeit herstellen, als das der Fall

wäre, wenn der Faltenbalg mit der geringen Faltenbreite der Einbaulänge gefertigt werden müßte. Durch diesen Kunstgriff ist es auch möglich, mehr Falten auf dem gleichen Raum unterzubringen.

Besonders wesentlich ist die Anordnung der Winkel und J> und ihre Zuordnung zu Vorder- bzw. Rück¬ flanke. Durch die Wahl dieser Winkel in Ver- bindung mit dem Verhältnis von Breite zu Höhe der Falten ergibt sich eine ganz bestimmte Stellung der Flanken zueinander, wodurch die Vorderflanken länger ausgebildet sind als die Rückflanken und dementsprechend die auf den Faltenbalg ein- wirkende Kraft bei einer Beugung des Gelenkes mit einem größeren Hebelarm auf die Rückflanken übertragen. Die Rückflanken werden dabei einge¬ faltet, die Vorderflanken im wesentlichen in ihrer vorgegebenen Lage aneinander geschoben. Es tritt damit auch kein minimales überstülpen auf, vielmehr legen sich die Flanken aneinander an, was inbesondere dadurch noch begünstigt wird, daß der Winkel bei der letzten Falte gleich oder kleiner als der Winkel ist, d. h. , daß das Einfalten nur im Bereich zwischen der Vorder¬ flanke der ersten und der Rückflanke der letzten Falte erfolgt, ohne daß diese wesentlich verformt werden.

Das Verhältnis der Breite zur Höhe der Falten ist gemäß der Erfindung gleich oder größer 1.

Durch dieses Verhältnis wird fertigungstechnisch begünstigt, daß die Wanddickenverteilung von Faltengrund bis in die Faltenspitze in dem gewünschten Maße erreicht wird, wie sie für die Funktion der Manschette erforderlich ist. Das Bilden von Querfalten bei Axialverschiebung und Beugung wird verhindert.

Bevorzugt liegt das Verhältnis B zu H zwischen 1 : 1 bis 1 : 0,65.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Winkel ßdas 1,15- bis 1,35-fache des Winkels j .

In Verbindung mit dem oben genannten Verhältnis von Breite zu Höhe der Falten wird durch die Größe der Winkel undΛ* erreicht, daß sich die Falten bei Axialverformung vom Fertigungszustand in den Einbauzustand gleichmäßig verformen; was wiederum vorteilhaft für das Verformungsverhalten beim Beugen der Manschette ist.

Beispiel Aus einem thermoplastischen Polyesterelastomeren - Hytrel, eingetragenes Warenzeichen der Firma Dupont - wurden nach dem Blas-Verfahren Falten¬ bälge für ein homokinetisches Gelenk mit fünf Falten hergestellt. Der gelenkseitige Innendurch- messer der Manschette betrug 80 mm, der kleine

Innendurchmesser der Manschette 25 mm. Die Falten waren in folgenden Winkeln zueinander angeordnet:

erste Falte, Vorderflanke, Winkel 26 Grad,

Rückflanke, Winkel if 23 Grad. Zweite Falte, Vorderflanke, Winkel & 32 Grad,

Rückflanke, Winkel » 27 Grad. Dritte Falte, Vorderflanke, Winkel ß 34 Grad,

Rückflanke, Winkeln 29 Grad. Vierte Falte, Vorderflanke, Winkel ß 33 Grad,

Rückflanke, Winkel * 28 Grad.

Letzte Falte, Vorderflanke, Winkel ß 31 Grad, Rückflanke, Winkel J * » 35 Grad.

Das Verhältnis Breite zu Höhe betrug:

erste Falte -fi- = 1,0

H

zweite Falte-g- = 1,18

H

dritte Falte-g- = 1 ,2 H

vierte Falte-§- = 1,14

H

fünfte Falte-|-= 1,15 H

Die Fertigungslänge des Faltenbalges zwischen den Bunden betrug 130 mm, die Einbaulänge 84 mm. An diesen Faltenbälgen wurden folgende Prüfungen vorgenommen:

1. Verformungsverhalten bei der statischen Auslenkung,

2. Rotationsprüfung bis zu n = 3200 min

3. Funktionsprüfung bei Wärmeeinwirkung,

4. Funktionsprüfung bei Kälteeinwirkung.

Der Achsmanschettenprüfstand bestand aus zwei im Winkel zueinander verstellbaren Säulen, zwischen die ein antreibbares, homokinetisches Festgelenk mit darauf aufgebrachtem Faltenbalg eingesetzt wurde. Die Einspannlänge des Faltenbalges betrug 84 mm. Im Gelenk befand sich eine Fettmenge von 30 g, im Faltenbalg eine solche von 50 g. Als Fett wurde "Molykote VN 2461 C" eingesetzt.

Der Rotationsprüfstand war mit einem im Drehzahl¬ bereich 0 ... 3500 min "1 stufenlos regelbaren Antrieb ausgerüstet. Die Mittelachse des Prüf- dornes, auf dem der Prüfling mit Spannbändern dicht montiert wurde, war genau auf den Nullpunkt des 2 mm Rasters eingestellt. Die Blitzfrequenz eines Stroposkopes wurde dabei so auf die Drehzahl abgestimmt, daß jede Formänderung der Manschette sieht- und meßbar wurde und foto¬ grafisch festgehalten werden konnte. Die Ver- formung in jeder Drehzahlstufe wurde nach einem Lauf von t = 15 min gemessen.

Ermittelt wurden die Durchmesser-Veränderungen der Manschette bei den Drehzahlstufen 1600; 1800; 2000; 2200; 2400; 2600; 2800; 3000; 3200 min "1 gegenüber den Ist-Abmessungen vor dem Versuch. Der Prüfdorn wurde über ein regelbares Heizge¬ bläse auf einer konstanten Temperatur voπ^ = 95 + 5 "C gehalten.

In der Tabelle sind die Formabweichungen in den entsprechenden Falten maßlich festgehalten.

Durchmesser - Vergrößerung

0

Die geprüfte Manschette weitete sich bis n = 2400 min -1 nicht auf. Erst ab n = 2400 min "1 bis n = 3200 min ~ 1 trat eine geringfügige Aufweitung auf. Der Faltenbalg wies keinerlei Beschädigungen auf, es kam auch nicht zu Fettaustritt.

Wärmeprüfung

Der Faltenbalg wurde auf eine Temperatur von 100 °C gebracht. Der Achsmanschettenprüfstand auf einen Beugewinkel von 20 Grad eingestellt und das horaokinetische Gelenk mit einer Drehzahl von 140 ü/min. während 240 Stunden angetrieben. Es wurden zwei Faltenbälge diesem Versuch unterworfen. Nach 240 Stunden war weder Fett ausgetreten, noch ließen sich Beschädigungen am Faltenbalg fest¬ stellen.

Kälteprüfung

Vier Faltenbälge wurden auf eine Temperatur von -40 °C gebracht. Der Beugewinkel des homo¬ kinetischen Gelenkes im Achsmanschettenprüfstand auf 18 Grad eingestellt und die Drehzahl während einer Laufzeit von 15 Minuten auf 1.100 U/min. gehalten. Danach, während einer Standzeit von 60 Minuten, wurde der Faltenbalg wieder auf -40 β C zurückgekühlt, dann wieder bei einer Drehzahl von 1.100 Umdrehungen 15 Minuten lang bewegt. Nach 20 Lastwechseln dieser Art wiesen alle vier Stücke keinen Fettaustritt und keine Beschädigungen auf.

Lebensdauer und Dauerfestigkeit

Zwei Prüflinge wurden der Reihe nach folgenden Belastungen ausgesetzt:

a) Temperatur 45 °C, Gelenkauslenkung 15 Grad, Drehzahl 1.000 ü/min., Laufzeit 200 Stunden, b) Temperatur -35 β C, Gelenkauslenkung 15 Grad, 300- Anläufe von 0 auf 1.000 U/min., c) Temperatur 45 °C, Gelenkauslenkung 30 Grad, Drehzahl 250 U/min. , Laufzeit 4 Stunden, d) Temperatur -35 °C, Gelenkauslenkung 30 Grad, 30 Anläufe von 0 auf 250 U/min. , e) Temperatur 90 °C, Gelenkauslenkung 42 Grad, Drehzahl 20 U/min., Laufzeit 4 Stunden, f) Temperatur -35 °C, Gelenkauslenkung 42 Grad, 15 Anläufe von 0 auf 20 U/min., g) Temperatur -40 °C, Gelenkauslenkung 50 Grad, 30 Anläufe von 0 auf 250 U/min.

Nach dieser Prüfung waren weder Fettaustritt noch die Funktion beeinträchtigende Beschädigungen an den Faltenbälgen festzustellen. Im Bereich der Berührung der Falten war ein geringer Abrieb zu sehen. Bei 10 Grad Auslenkungswinkel trat die erste Berührung zwischen der fünften und der vierten Falte auf, bei 17,5 Grad Auslenkung die zweite Berührung zwischen der vierten und der dritten Falte, bei 22,5 Grad Auslenkung die dritte Berührung zwischen dritter und zweiter Falte, bei 37,5 Grad die vierte Berührung zwischen zweiter und erster Falte, ab 40,5 Grad berühren sich alle Falten kontinuierlich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der

Zeichnungen erläutert:

Figur 1 zeigt ein homokinetisches Gelenk mit Faltenbalg im Teilschnitt, Figur 2 die Vorderansicht des Faltenbalges im Teilschnitt,

Figuren

3 bis 6 homokinetische Gelenke mit dem er¬ findungsgemäßen Faltenbalg in ver- schiedenen Beugestellungen,

Figuren

7 und 8 ein homokinetisches Gelenk mit einem

Kautschuk-Faltenbalg nach dem Stand der Technik unter verschiedenen Beuge- winkeln.

Das homokinetische Gelenk 7 besteht aus einem Festbereich 9, in dem die Welle 10 schwenkbar gelagert ist. Die Welle 10 weist zwei Ringwülste 11 auf, die zur Aufnahme des kleinen Bundes 12 des Faltenbalges 13 dienen. Der Bund 12 des Faltenbalges 13 wird auf der Welle 10 im Bereich zwischen den Ringwülsten 11 durch ein Spannband 14 gehalten. Analog erfolgt die Befestigung des großen Bundes 15 des Faltenbalges 13 auf dem

Festbereich 9 des homokinetischen Gelenkes 7 in einer Ringnut 16 ebenfalls mit einem Spannband 14.

Die Vorderflanke 3 der ersten Falte 1 weist im Bereich des Faltengrundes 5 eine Wandstärke von 3,5 mm auf und verjüngt sich zur Faltenspitze 6 hin auf 0,4 mm. Die erste Flanke 3 der weiteren Falten 2, 19, 20, 21 weisen im Bereich des

Faltengrundes 5 eine Wandstärke von 1,3 mm auf und verjüngen sich ebenfalls auf 0,4 mm. Die Rückflanke 4 der ersten Falte 1 und auch die Rückflanken 4 der weiteren Falten 2, 19, 20, 21 weisen die gleichen Maße auf.

Die Vorderflanke 3 der ersten Falte 1 verläuft unter einem Winkel von 26 Grad gegenüber der Senkrechten 23, die Rückflanke 4 der ersten Falte unter einem Winkel »* von 23 Grad. Die Winkel ß der zweiten Falte 2, der dritten Falte 21 und der vierten Falte 20 verlaufen unter 32 bzw. 34 bzw. 33 Grad. Die zugehörigen Winkel betragen 27 bzw. 29 bzw. 28 Grad. Die letzte Falte 19 weist einen Winkel ß von 31 und einen Winkel * von 35

Grad auf.

Im Bereich des Faltengrundes 5 ist zwischen den einzelnen Falten eine umlaufende Entlastungsnut 17 angeordnet, durch die das Stauchen und Dehnen des Faltenbalges erleichtert wird.

Durch Auslenken der Welle 10 bildet sich zwischen der Verlängerung der Mittellinie 18 des Festbe- reiches 9 des homokinetischen Gelenkes 7 und der abgewinkelten Welle 10 der Beugewinkelβ . In Figur 3 beträgt dieser Beugewinkel OC 10 Grad. Dabei tritt die erste Berührung der Falten

untereinander auf, es berührt sich dabei die fünfte Falte 19 und die vierte Falte 20, in Figur

4 beträgt der Beugungswinkel t* 22,5 Grad, die vierte Falte 20 hat dabei die dritte Falte 21 berührt und die dritte Falte 21 liegt dabei erstmalig an der zweiten Falte 2 an. Gemäß Figur

5 beträgt der WinkelO 37,5 Grad, dabei ergibt sich die vierte Berührung, d. h. , daß jetzt die zweite Falte 2 an der ersten Falte 1 zusätzlich anliegt. Figur 6 ist bei einer Beugung von 40,5

Grad dargestellt. Dabei berühren sich alle Falten kontinuierlich.

Die Figuren 7 und 8 zeigen ein homokinetisches Gelenk nach dem Stand der Technik, d. h. ein homokinetisches Gelenk 7, das gemäß Figur 7 einen Beugungswinkel o von 22,5 und gemäß Figur 8 einen solchen von 40,5 Grad aufweist. Es zeigt sich dabei, daß bei 22,5 Grad Beugung bereits die Überstülpung der ersten Falte 1 anbahnt, die bei Beugungswinkel C von 40,5 Grad vollzogen ist, außerdem ist in dem praktisch gestreckten Bereich die Einknickung 22 deutlich zu erkennen.