Die Erfindung betrifft einen Faltenbalg für Festgelenke mit einer Auslenkung von bis zu 50

Grad, der aus einem thermoplastischen Elastomeren auf Basis von Polyetherester besteht und minde¬ stens drei Falten aufweist.

Faltenbälge für Festgelenke, insbesondere für homokinetische Gelenke, sind seit langem bekannt und werden im allgemeinen aus natürlichen oder synthetischen Kautschuken und deren Abmischungen sowie Polyurethan 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 Anforderungen an den Faltenbalg gestellt, die noch dadurch verschärft werden, daß der Falten¬ balg in seinem Inneren Fett aufnehmen und recht hohe Drehzahlen über einen langen Zeitraum, im

allgemeinen einer Kilometerleistung von 150.000 bis 200.000 km entsprechenden Zeit von ca. 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 k lten 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 durch den Riß eintretenden Schmutz nach kurzer Zeit verschlissen waren. Um die kältetechnischen Probleme zu lösen, war ein neuer Werkstoff zu suchen, der der Beanspruchung in der Kälte standhielt. Ein recht neuer Vorschlag geht deshalb dahin, als Werkstoff ein thermo¬ plastisches Elastomer auf Basis von Polyether- ester einzusetzen, das eine hohe Kältebeständig¬ keit aufweist. Dieses Material hat aber, ver¬ glichen mit den bisher eingesetzten Rohstoffen auf Kautschukbasis, nur eine sehr geringe Elastizität und weist damit bei der Montage und auch im Einsatz als Achsmanschette völlig andere Eigenschaften auf, so daß besondere Schritte ergriffen werden müssen, um aus diesem Material einen Faltenbalg zu gestalten, der den gestellten Anforderungen gerecht wird.

Der vorliegenden Anmeldung liegt damit die Aufgabe zugrunde, aus einem kältebeständigen Material, also aus einem thermoplastischen

Elastomeren auf Basis von Polyetherester, einen Faltenbalg zu erstellen, der auch bei tiefsten Temperaturen, wie sie in Gebieten des Polar¬ kreises auftreten, ohne Schäden eine Auslenkung von 50 Grad übersteht und eine hohe Gebrauchs¬ dauer aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Faltenbalg für Festgelenke mit einer Auslenkung von bis zu 50 Grad, der aus einem thermoplastischen Elasto¬ meren auf Basis von Polyetherester besteht, mindestens drei Falten aufweist mit dem kenn¬ zeichnenden Merkmal, daß mindestens die Vorder¬ flanke der ersten Falte sowie ggf. die Vorder- flanke der zweiten Falte, gesehen von der dem Gelenk abgewandten Seite, ein Verjüngungsver¬ hältnis der Flankenwandstärke von Faltengrund zu Faltenspitze von 15 : 1 bis 8 : 1 und alle weiteren Flanken ein Verhältnis der Flankenwand- stärken von 6 : 1 bis . : 1 aufweisen.

Bei vielen Gelenktypen, inbesondere homo¬ kinetischen Gelenken, ist die dem Gelenk abge¬ wandte Seite des Faltenbalgs im allgemeinen die Seite, die den kleinen Achsdurchmesser aufweist. Damit sind die Falten in diesem Bereich auch kleiner. Beim Beugen des Gelenkes wird der Faltenbalg auf der Winkelaußenseite der Beugung gestreckt und auf der Winkelinnenseite der Beugung zusammengedrückt. Im Bereich der kleinen Falten 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 Faltenanordnung und damit längs zur Welle verläuft. Kautschukraaterialien vertragen sowohl die Einknickung als auch die überstülpung, insbesondere bei dynamischer Beanspruchung, nicht jedoch Materialien, die eine wesentlich geringere Dehnung aufweisen, wie Polyetheresterelastomere. Bei diesen führt die überstülpung und auch die Einknickung mit Sicherheit nach kurzer Zeit zum Bruch der Manschette.

Durch Erhöhung der Faltenzahl kann man 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 Materi¬ alien weiterhin zur Zerstörung der Manschette führt. Gemäß der Erfindung wird dieses über¬ stülpen dadurch verhindert, daß die Flanken des Faltenbalges sich vom Faltengrund zur Falten¬ spitze verjüngen, wobei sich die Verjüngungsver¬ hältnisse der Flanken unterscheiden. Die Vorder¬ flanke der ersten Falte ist in jedem Fall stärker ausgeführt, setzt also dem Überstülpen einen erheblichen Widerstand entgegen. Die gegenüber¬ liegende Flanke der gleichen Falte weist im Faltengrund eine wesentlich geringere Wandstärke auf. Bei der Beugung des Gelenkes legt sie sich also an die Vorderflanke an, ohne sie zu über- stülpen. Die Vorderflanke der zweiten Falte kann sich damit an die Rückflanke der ersten Falte anlehnen, wodurch ebenfalls kein Überstülpen auftritt.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Flankenwandstärke der Vorderflanke der ersten Falte und ggf. der zweiten Falte im Bereich des Flankengrundes zwischen 2 und 3,5 mm liegt. Die Flankenwandstärke der weiteren Falten liegt dabei vorteilhaft im Fußbereich zwischen 1,2 und 2,2 mm. Es ergibt sich also ein erheb¬ licher Unterschied in den Wandstärken, d. h. alle Rückflanken sind dünner ausgeführt und dadurch leichter verformbar, was sicherstellt, daß ein Überstülpen der Manschette verhindert wird. Im Bereich der Faltenspitzen liegt die Flankenwand¬ stärke bevorzugt zwischen 0,2 und 0,4 mm, um auch hier bei Aufrechterhaltung der erforderlichen Festigkeit für eine hohe Elastizität zu sorgen.

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 Wandstärke der Vorderflanke, der ersten Falte im Bereich des Faltengrundes 2,5 mm, im Bereich der Faltenspitze 0,4 mm, die Vorderflanke der zweiten Falte wies im Bereich des Faltengrundes eine Stärke von 2,2 und im Bereich der Faltenspitze eine Stärke von 0,35 mm auf. Alle weiteren

Flanken maßen im Bereich des Faltengrundes 1,6 mm und im Bereich der Faltenspitze 0,3 mm. Der

Faltengrund zwischen den einzelnen Falten war mit einer Entlastungsnut versehen. Die Falten waren in folgenden Winkeln zueinander angeordnet:

erste Falte, Vorderflanke, Winkel f& 26 Grad,

-Rückflanke, Winkel g 23 Grad.

Zweite Falte, Vorderflanke, Winkel jS 32 Grad,

Rückflanke, Winkel 27 Grad.

Dritte Falte, Vorderflanke, Winkel ß 34 Grad,

Rückflanke, Winkel g 29 Grad.

Vierte Falte, Vorderflanke, Winkel - 33 Grad,

Rückflanke, Winkel g 28 Grad.

Letzte Falte, Vorderflanke, Winkel ß 31 Grad,

Rückflanke, Winkel •* ^• ' 35 Grad.

Das Verhältnis Breite zu Höhe betrug:

B erste Falte ^~ - ^~~~~ " = 1,0

zweite Falte -r_l- - 1,18

dritte Falte - ^■ §- = 1,2

vierte Falte— = 1 ,14

fünfte Falte-4 Jrl- = 1,15

Die Fertigungislänge 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 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 on^g = 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 homokinetische Gelenk mit einer Drehzahl von 140 U/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 ^β 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 ^β C, Gelenkauslenkung 15 Grad, Drehzahl 1.000 U/min., Laufzeit 200 Stunden, b) Temperatur -35 ^β C, Gelenkauslenkung 15 Grad, 300 Anläufe von 0 auf 1.000 U/min., c) Temperatur 45 ^β C, Gelenkauslenkung 30 Grad, Drehzahl 250 U/min., Laufzeit 4 Stunden, d) Temperatur -35 ^β 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 ^β C, Gelenkauslenkung 42 Grad, 15 Anläufe von 0 auf 20 U/min., g) Temperatur -40 ^q 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 7 homokinetische Gelenke mit dem er¬ findungsgemäßen Faltenbalg in ver- schiedenen Beugestellungen,

Figuren

8 und 9 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 3,20 mm auf und verjüngt sich zur Faltenspitze 6

hin auf 0,60 mm. Die Vorderflanke 3 der zweiten Falten 2 weist im Bereich des Faltengrundes 5 eine Wandstärke von 2,40 mm auf und verjüngt sich auf 0,40 mm. Die Rückflanke 4 der ersten Falte 1 und auch die Rückflanke 4 der weiteren Falte 2 weisen im Bereich des Faltengrundes 5 das gleiche Maß, nämlich 1,50 mm auf und verjüngen sich auf 0,60 bzw. 0,40 mm. Der Faltengrund 5 bei der Vorderflanke 3 der dritten Falte 21 beträgt 1,80, der vierten Falte 20 1,65 und der fünften Falte 19 1,40 mm. Die entsprechenden Rückflanken 4 weisen im Faltengrund 5 eine Stärke von 1 ,50 bzw. 1,35 bzw. 1,30 mm auf. Sie verjüngen sich insgesamt auf 0,40 bzw. 0,25 bzw. 0,20 mm.

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 Beugewinkel CK . In Figur 3 beträgt dieser Beugewinkel β 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 Λ 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 Winkel 0 37,5 Grad, dabei ergibt

sich die vierte Berührung, d. h. , daß jetzt die zweite Falte 2 an der ersten Falte 1 zusätzlich anliegt. In Figur 6 ist eine Beugung von 40,5, in Figur 7 eine solche von 50 Grad dargestellt. Dabei berühren sich alle Falten kontinuierlich.

Die Figuren 8 und 9 zeigen ein homokinetisches Gelenk nach dem Stand der Technik, d. h. ein homokinetisches Gelenk 7, das gemäß Figur 8 einen Beugungswinkel öc. von 42,0 und gemäß Figur 9 einen solchen von 50 Grad aufweist. Es zeigt sich dabei, daß bei 42,0 Grad Beugung bereits die überstülpung der ersten Falte 1 vollzogen ist, und bei Beugungswinkele von 50,0 Grad, auch die letzte Falte 19 sich überstülpt. Außerdem ist in dem praktisch gestreckten Bereich die Einknickung 22 deutlich zu erkennen.