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Title:
METAL BELLOWS AND METHOD FOR PRODUCING A METAL BELLOWS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/076987
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a metal bellows (10), comprising a bellows wall (16), which extends around a longitudinal axis (12) and encloses a bellows interior (14), the bellows wall (16) having inner folds (18) and outer folds (20), which are connected to each other by means of wall flanks (22). Said metal bellows is designed and developed in such a way, with a view to the economical production of a sufficiently durable and deformable metal bellows, that the inner folds (18) and/or the outer folds (20) are formed in such a way that said folds each enclose an annular space (24, 25). The invention further relates to a method for producing a metal bellows (10).

Inventors:
SCHILL, Andreas (Sperberweg 4, Stutensee, 76297, DE)
Application Number:
EP2018/078422
Publication Date:
April 25, 2019
Filing Date:
October 17, 2018
Export Citation:
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Assignee:
BOA BALG- UND KOMPENSATOREN-TECHNOLOGIE GMBH (Lorenzstrasse 2-6, Stutensee, 76297, DE)
International Classes:
F16J3/04; B21D15/10
Domestic Patent References:
WO2017146399A12017-08-31
Foreign References:
US3233632A1966-02-08
JPS4729043U1972-12-02
JPS5620863A1981-02-26
GB917806A1963-02-06
DE202011102549U12012-10-01
DE202013007501U12014-09-25
Attorney, Agent or Firm:
DREISS PATENTANWÄLTE PARTG MBB (Friedrichstraße 6, Stuttgart, 70174, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Metallbalg (10), mit einer sich um eine Längsachse (12) erstreckenden und einen Balginnenraum (14) umschließenden Balgwandung (16), wobei die Balgwandung (16) Innenfalten (18) und Außenfalten (20) aufweist, die über Wandungsflanken (22) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfalten (18) und/oder die Außenfalten (20) derart geformt sind, dass diese jeweils einen Ringraum (24, 25) einschließen .

2. Metallbalg (10) nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass die Innenfalten (18) und/oder die Außenfalten (20) den Ringraum (24, 25) jeweils unmittelbar umschließen.

3. Metallbalg (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, dass die Wandungsflanken (22)

gleichsinnig oder gegensinnig gewellt sind.

4. Metallbalg (10) nach einem der voranstehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die

Wandungsflanken (22) kontinuierlich in die

Innenfalten (18) und/oder in die Außenfalten (20) übergehen .

5. Metallbalg (10) nach einem der voranstehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die

Balgwandung (16) an den Außenfalten (20) eine geringere Wandstärke aufweist als an den Innenfalten (18) .

Metallbalg (10) nach einem der voranstehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (24, 25) in radialer Richtung eine Höhe (36) aufweist, die weniger als 50 Prozent, vorzugsweise weniger als 30 Prozent, weiter vorzugsweise weniger als 20

Prozent, der Höhe zwischen Außenfalte (20) und

Innenfalte (18) beträgt. 7. Verfahren zum Herstellen eines Metallbalgs (10),

insbesondere eines Metallbalgs (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

- Einlegen eines Metallrohrs in ein Formwerkzeug,

- Verformen des Metallrohrs zu einem Metallbalg (10) durch Beaufschlagen des Metallrohrinnenraums mit einem unter Druck stehenden Wirkmedium, wobei durch

Zusammenwirken mit Formelementen des Formwerkzeugs Innenfalten (18), Außenfalten (20) und Wandungsflanken (22) des Metallbalgs (10) ausgebildet werden, und

- Stauchen des Metallbalgs (10) entlang dessen

Längsachse (12), wobei die Innenfalten (18) und/oder die Außenfalten (20) derart verformt werden, dass diese jeweils einen Ringraum (24, 25) einschließen.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verformens des Metallrohres zu einem Metallbalg (10) die Wandungsflanken (22) derart verformt werden, dass diese gleichsinnig oder

gegensinnig gewellt sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch

gekennzeichnet, dass das Stauchen des Metallbalgs (10) dadurch erfolgt, dass die Formelemente des

Formwerkzeugs entlang der Längsachse (12) des

Metallbalges (10) verfahren werden, insbesondere bis die Wandungsflanken (22) und/oder die Formelemente miteinander auf Block liegen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformen des Metallrohrs zu einem Metallbalg (10) und das Stauchen des Metallbalgs (10) durch dasselbe Formwerkzeug erfolgen.

Description:
Titel: Metallbalg und Verfahren zum Herstellen eines Metallbalgs

Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Metallbalg, mit einer sich um eine Längsachse erstreckenden und einen Balginnenraum umschließenden Balgwandung, wobei die Balgwandung

Innenfalten und Außenfalten aufweist, die über

Wandungsflanken miteinander verbunden sind. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines

Metallbalgs .

Metallbälge und Verfahren zur Herstellung von Metallbälgen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei eine Bauweise von Metallbälgen darin besteht, dass ein Metallrohr durch Innendruck beaufschlagt und zu einem Metallbalg verformt wird (Faltenbalg), wie beispielsweise in DE 20 2011 102 549 Ul beschrieben. Dadurch lassen sich Metallbälge

kostengünstig herstellen. Bei einer weiteren Bauweise wird ein Metallbalg durch mehrere gewellte Scheiben gebildet, wobei benachbarte Scheiben wechselweise an deren Innenseite und an deren Außenseite miteinander verschweißt werden (Membranbalg), wie zum Beispiel in DE 20 2013 007 501 Ul beschrieben. Dadurch können bessere

Verformungseigenschaften des Balges, bspw. höhere mögliche Längungen erzielt werden.

Bei einem Faltenbalg ist von Nachteil, dass dessen

Verformung, beispielsweise dessen Längung, und dessen

Haltbarkeit vergleichsweise begrenzt sind. Bei einem

Membranbalg ist von Nachteil, dass dessen Herstellung durch Verschweißen konstruktiv aufwändig und daher

vergleichsweise teuer ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

kostengünstige Herstellung eines hinreichend haltbaren und verformbaren Metallbalgs zu ermöglichen.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch einen Metallbalg mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach zeichnet sich der

Metallbalg dadurch aus, dass die Innenfalten und/oder die Außenfalten derart geformt sind, dass diese insbesondere in deren radialen Endbereichen (Faltenendbereich) jeweils einen Ringraum einschließen. Auf diese Weise ist ein Metallbalg geschaffen, der

vorteilhafte Verformungseigenschaften aufweist, so können große Axialbewegungen ausgeglichen und eine hohe Längung und Verkürzung (Kompression) erreicht werden. Dies gelingt auf Grund der Tatsache, dass durch die Ausgestaltung der

Innenfalten und/oder der Außenfalten mit Ringräumen die auf die Falten wirkenden Belastungen, bspw. bei axialer

Verformung (z.B. Verkürzung), reduziert sind. Dies hat Vorteile beim Einsatz des Metallbalgs, da eine verbesserte Haltbarkeit erzielt werden kann. Zudem ist durch die Falten mit Ringräumen eine kostengünstige Herstellung des

Metallbalgs durch Innenhochdruckumformung (oftmals auch "Hydroforming" bezeichnet) und Stauchen des Metallbalgs ermöglicht, da eine Beschädigung der Falten vermieden werden kann. Mit anderen Worten weist der vorgeschlagene Metallbalg in seiner Verwendung die Vorteile eines

Membranbalges auf, ist jedoch kostengünstiger herstellbar. Die Innenfalten können auch als "innere Falten" und die Außenfalten auch als "äußere Falten" bezeichnet werden.

Die Falte, die den Ringraum einschließt, kann im

Querschnitt die Form einer Schlaufe, Öse oder dergleichen aufweisen. Der Ringraum kann nicht ausschließlich, bspw. abschnittsweise, einen kreisförmigen, elliptischen oder ovalen Querschnitt aufweisen. Hierbei sind symmetrische oder unsymmetrische Ausgestaltungen möglich. Bei dem vorliegenden Metallbalg handelt es sich insbesondere um einen durch Innenhochdruckumformung hergestellten und anschließend verformten, insbesondere gestauchten,

Faltenbalg. Der Übergang von benachbarten Wandungsflanken zu einer an diesen Wandungsflanken ausgebildeten Falte, z.B. von zwei benachbarten Wandungsflanken zu einer Außenfalte, ist insbesondere derart ausgebildet, dass Abschnitte

benachbarter Wandungsflanken direkt aneinander anliegen (Kontaktbereich) . Dieser Kontaktbereich liegt an der diesen Wandungsflanken zugewandten Seite des Ringraums. Durch das direkte Anliegen ist der Ringraum geschlossen. Die

benachbarten Wandungsflanken können im Kontaktbereich einen Linienkontakt (z.B. Kreislinie) oder einen flächigen

Kontakt (z.B. Kreisring) ausbilden.

Diese Kontaktbereiche bewirken eine Begrenzung der

Biegebelastung an den jeweils den Wandungsflanken radial gegenüberliegenden Begrenzungen der Ringräume der Innen- und Außenfalten durch Umlenkung der Balg-Axial-Bewegungen in ein Abrollen der aneinander angrenzenden Wandungsflanken aufeinander .

Im Konkreten sind die Innenfalten und Außenfalten

insbesondere kontinuierlich miteinander verbunden, und zwar über zwischenliegende Wandlungsflanken. Der Abstand

zwischen zwei benachbarten Wandungsflanken, die an eine identische Falte angrenzen, kann auch als „Teilung"

bezeichnet werden. Bezogen auf die Längsachse ist die

Innenfalte radial innen und die Außenfalte radial außen angeordnet (radiale Richtung orthogonal zur Längsachse orientiert) . Die Innenfalte bildet ein „Tal". Die

Außenfalte bildet einen „Berg". Eine Außenfalte und die an diese Außenfalte angrenzenden Wandungsflanken bilden eine Wellung. Entlang der Längsachse benachbarte Wellungen sind über eine Innenfalte miteinander verbunden. Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung können die

Innenfalten und/oder die Außenfalten den Ringraum jeweils unmittelbar umschließen. Dies bedeutet, dass die Wandungen der Falten direkt an die Ringräume grenzen. Hierdurch ist eine konstruktiv einfache Ausgestaltung der Falten ohne weitere Bestandteile ermöglicht (Außenfalte/Innenfalte und/oder Ringraum frei von weiteren Bestandteilen). Zudem umschließen die Innenfalten und/oder die Außenfalten den Ringraum jeweils insbesondere vollständig. Auch dies trägt zu einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung bei.

In vorteilhafter Weise können die Wandungsflanken

gleichsinnig oder gegensinnig gewellt sein. Dadurch ist die Stabilität der Wandungsflanken erhöht. Zudem ist von

Vorteil, dass bei Kompression des Metallbalgs benachbarte Wandungsflanken flächig, ggf. großflächig, aneinander anliegen können. Die Wandungsflanken können im Querschnitt S-förmig oder schlangenlinienförmig (mäanderförmig bzw. hin- und hergehend) ausgebildet sein. In zweckmäßiger Weise können die Wandungsflanken

kontinuierlich in die Innenfalten und/oder die Außenfalten übergehen. Mit anderen Worten können die Wandungsflanken und die Außenfalten und/oder die Innenfalten einstückig ausgebildet sein. Somit kann eine Schwächung der

Wandungsflanken und/oder der Falten in Form von Sollbruchstellen vermieden werden. Insbesondere sind die Wandungsflanken und/oder die Falten frei von radialen

Schweißnähten (Schweißnaht entlang der Längsachse des

Metallbalges kann vorhanden sein) .

Im Konkreten kann die Balgwandung an den Außenfalten eine geringere Wandstärke aufweisen als an den Innenfalten.

Dadurch ist die Balgwandung insbesondere auf Grund der Innenhochdruckumformung an den Außenfalten elastischer als an den Innenfalten, wobei die Ausgestaltung der Außenfalten mit Ringräumen die Außenfalten vor Überlastung schützt.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Ringraum in radialer Richtung eine Höhe (Höhe des Ringraums

orthogonal zur Längsachse) aufweisen, die weniger als 50 Prozent, vorzugsweise weniger als 30 Prozent, weiter vorzugsweise weniger als 20 Prozent, der Höhe zwischen Außenfalte und Innenfalte beträgt. Dadurch lässt sich eine hinreichende Entlastung der Falten erzielen, ohne die

Herstellung oder die Verformung des Metallbalgs im Betrieb zu sehr einzuschränken.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbalgs gelöst, insbesondere eines Metallbalgs wie voranstehend beschrieben. Danach zeichnet sich der Metallbalg durch folgende Schritte aus:

- Einlegen eines Metallrohrs (Halbzeug) in ein

Formwerkzeug,

- Verformen des Metallrohrs zu einem Metallbalg durch

Beaufschlagen des Metallrohrinnenraums mit einem unter Druck stehenden Wirkmedium, wobei durch Zusammenwirken mit Formelementen des Formwerkzeugs Innenfalten, Außenfalten und Wandungsflanken des Metallbalgs ausgebildet werden, und - Stauchen des Metallbalgs entlang dessen Längsachse, wobei die Innenfalten und/oder die Außenfalten derart verformt werden, dass diese jeweils einen insbesondere geschlossenen Ringraum einschließen oder bilden.

Hinsichtlich der mit dem Verfahren erzielbaren Vorteile wird auf die voranstehenden Ausführungen zum Metallbalg verwiesen .

Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung können während des Verformens des Metallrohrs zu einem Metallbalg die Wandungsflanken derart verformt werden, dass diese

gleichsinnig oder gegensinnig gewellt sind. Dadurch wird den Wandungsflanken die gewellte Struktur auf konstruktiv besonders günstige Weise aufgebracht, wobei diese

Aufbringung gemeinsam innerhalb lediglich eines

Arbeitsschrittes erfolgt. Durch die gewellte Struktur wird die Steifigkeit der Wandungsflanken erhöht.

In vorteilhafter Weise kann das Stauchen des Metallbalgs dadurch erfolgen, dass die Formelemente des Formwerkzeugs entlang der Längsachse des Metallbalges verfahren werden, insbesondere bis die Wandungsflanken und/oder die

Formelemente miteinander auf Block liegen. Dadurch ist in einem Arbeitsschritt eine zuverlässige Aufbringung von Merkmalen auf den Metallbalg ermöglicht, wobei das „auf Block liegen" zuverlässig das Ende der Verformung signalisiert. Mit anderen Worten werden die Formelemente des Formwerkzeugs entlang der Längsachse des Metallbalges aufeinander zu bewegt, bis die Wandungsflanken und/oder die Formelemente miteinander auf Block liegen und eine weitere Stauchung des Metallbalges nicht möglich ist. Dabei liegt ein Formwerkzeug zwischen zwei Wandungsflanken, die über eine Innenfalte oder eine Außenfalte miteinander verbunden sind . Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung können das

Verformen des Metallrohrs zu einem Metallbalg und das Stauchen des Metallbalgs durch dasselbe Formwerkzeug erfolgen. Dadurch ist die kostengünstige Herstellung des Metallbalgs abermals begünstigt, da lediglich ein

Formwerkzeug benötigt und eine Handhabung des Metallbalgs zum Umlagern in ein weiteres Werkzeug nicht erforderlich ist. Durchlaufzeiten, apparative Hilfsmittel zur Umlagerung und Stellfläche in einer Fertigung können eingespart werden .

Zur weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Metallbalgs können die im Zusammenhang mit dem

Metallbalg beschriebenen Maßnahmen dienen. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert, wobei gleiche oder funktional gleiche Elemente teilweise nur einmal mit Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen : Figur 1 eine Ausführungsform des Metallbalgs in einer schematischen Schnittansicht (Teilschnitt) .

Figur 1 zeigt einen Metallbalg, der insgesamt mit dem

Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Metallbalg 10 weist eine sich um eine Längsachse 12 erstreckende und einen Balginnenraum 14 umschließende Balgwandung 16 auf. Die Balgwandung 16 weist Innenfalten 18 und Außenfalten 20 auf, die über Wandungsflanken 22 miteinander verbunden sind.

Die Innenfalten 18 und die Außenfalten 20 sind derart geformt, dass von den Innenfalten 18 und von den

Außenfalten 20 jeweils ein Ringraum 24, 25 eingeschlossen ist. Der entlang der Längsachse 12 orientierte

innenliegende Abstand 26 zwischen zwei benachbarten

Wandungsflanken 22 nimmt zur Außenfalte 20, also ausgehend von der Innenfalte 18 nach radial außen, zunächst ab, bis Abschnitte der Wandungsflanken 22 in einem Kontaktbereich 28 direkt aneinander anliegen und einen flächigen Kontakt ausbilden. Im Ringraum 24 nimmt der Abstand 26 wieder zu. Mit anderen Worten folgt auf einen Bereich, in dem

benachbarte Wandungsflanken 22 voneinander beabstandet sind (beabstandeter Bereich 27), nach außen der Kontaktbereich

28 und darauf der Ringraum 24.

Entsprechendes gilt für den entlang der Längsachse 12 orientierten außenliegenden Abstand 29 zwischen zwei benachbarten Wandungsflanken 22. Der außenliegende Abstand

29 nimmt nach radial innen zunächst ab, bis Abschnitte der Wandungflanken 22 in einem Kontaktbereich 28' direkt aneinander anliegen und einen flächigen Kontakt ausbilden. Im Ringraum 25 nimmt der Abstand 29 wieder zu. Mit anderen Worten folgt auf einen Bereich, in dem benachbarte

Wandungsflanken 22 voneinander beabstandet sind

(beabstandeter Bereich 27) nach innen der Kontaktbereich 28' und darauf der Ringraum 25.

Im Querschnitt bilden die Innenfalte 18 und Außenfalte 20 jeweils eine Öse, Schlaufe oder Schleife aus. Eine

Innenfalte 18 bildet ein Tal 30. Eine Außenfalte 20 bildet einen Berg 32. Eine Außenfalte 20 und die an diese

Außenfalte 20 angrenzenden Wandungsflanken 22 bilden eine Wellung 34. Die Außenfalten 20 umschließen den Ringraum 24 jeweils unmittelbar und vollständig. Die Innenfalten 18 umschließen den Ringraum 25 unmittelbar und vollständig.

Die Wandungsflanken 22 sind gleichsinnig gewellt. Dies bedeutet, dass die Wandungsflanken 22 derart gewellt sind, dass benachbarte Wandungsflanken 22 bei Kompression des Metallbalgs 10 größtenteils aneinander anliegen. Die

Wandungsflanken 22 weisen im Querschnitt ein

schlangenlinienförmiges Profil auf.

Die Wandungsflanken 22, die Innenfalten 18 und die

Außenfalten 20 gehen kontinuierlich ineinander über, sind also einstückig ausgebildet. Die Wandungsflanken 22, die Innenfalten 18 und/oder die Außenfalten 20 sind somit frei von radialen Schweißnähten. Die Balgwandung 16 weist an den Außenfalten 20 eine geringere Wandstärke auf als an den Innenfalten 18. Der Ringraum 24, 25 weist in radialer Richtung jeweils eine Höhe 36 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel weniger als 20 Prozent der Höhe zwischen einer Außenfalte 20 und der Innenfalte 18 beträgt.

Das Verfahren zum Herstellen eines Metallbalgs 10 arbeitet folgendermaßen : Zunächst wird ein insbesondere mit einer Längsnaht

verschweißtes Metallrohr, das ein Halbzeug für einen noch zu fertigenden Metallbalg 10 darstellt, in ein Formwerkzeug (nicht dargestellt) eingelegt (manuelles oder maschinelles Einlegen) .

Anschließend erfolgt ein Verformen des Metallrohrs zu einem Metallbalg 10 durch Beaufschlagen des Metallrohrinnenraums mit einem unter Druck stehenden Wirkmedium, beispielsweise einem Wasser-Öl-Gemisch. Durch Zusammenwirken mit

Formelementen des Formwerkzeugs (nicht dargestellt) werden Innenfalten 18, Außenfalten 20 und Wandungsflanken 22 des Metallbalgs 10 ausgebildet.

Danach erfolgt ein Stauchen des Metallbalgs 10 entlang dessen Längsachse 12, wobei die Innenfalten 18 und die Außenfalten 20 derart verformt werden, dass diese jeweils den innenliegenden Ringraum 24, 25 einschließen. Die

Innenfalten 18, die Außenfalten 20 und/oder der Ringraum 24, 25 können die voranstehend bereits beschriebenen

Eigenschaften aufweisen. Während des Verformens des Metallrohrs zu einem Metallbalg 10 werden die Wandungsflanken 22 derart verformt, dass diese gleichsinnig oder gegensinnig (nicht dargestellt) gewellt sind. Nach Verformung weisen die Wandungsflanken 22 im Querschnitt eine Schlangenlinienform auf.

Das Stauchen des Metallbalgs 10 erfolgt dadurch, dass die Formelemente des Formwerkzeugs (nicht dargestellt) entlang der Längsachse 12 des Metallbalgs 10 derart verfahren und aufeinander zu bewegt werden, bis die Wandungsflanken 22 und/oder die Formelemente miteinander auf Block liegen.

Das Verformen des Metallrohrs zu einem Metallbalg 10 und das Stauchen des Metallbalgs 10 erfolgen durch dasselbe Formwerkzeug (nicht dargestellt) .