DE102023103259A1

DE102023103259A1 - Faltenbalg, Gelenkanordnung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102023103259A1
Application number: DE102023103259.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Deisinger
Original assignee: GKN Driveline International GmbH
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 2023-02-10
Filing date: 2023-02-10
Publication date: 2024-08-14
Also published as: KR20240125481A; CN118482183A; US20240271704A1; JP2024116093A

Abstract

Faltenbalg (1) für eine Gelenkanordnung (2), wobei sich der Faltenbalg (1) zwischen einem ersten Ende (3) und einem zweiten Ende (4) als Hohlkörper entlang einer Achse (5) erstreckt und durch eine Wandung (6) gebildet ist, die zwischen den Enden (3, 4) die Achse (5) entlang einer Umfangsrichtung (7) umschließt und einen Innenraum (8) ausbildet; wobei die Wandung (6) zumindest durch eine Mehrzahl von entlang der Achse (5) nebeneinander angeordneten Falten (9, 10) gebildet ist; wobei sich jede Falte (9, 10) entlang der Achse (5) ausgehend von einem ersten kleinsten Durchmesser (11) über eine erste Flanke (12) hin zu einem ersten größten Durchmesser (13) und über eine zweite Flanke (14) hin zu einem zweiten kleinsten Durchmesser (15) erstreckt und zumindest bei einer Falte (9, 10) eine Flanke (12, 14) eine Mehrzahl von, entlang der Umfangsrichtung (7) verteilt angeordnete, Strukturen (16) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faltenbalg für eine Gelenkanordnung, eine Gelenkanordnung sowie ein Kraftfahrzeug.
Die Gelenkanordnung umfasst z. B. ein (Gleichlauf-)Gelenk. Über die Gelenkanordnung sind zwei Wellen verschwenkbar miteinander verbindbar. Ein derartiges (Gleichlauf-)Gelenk umfasst regelmäßig ein Gelenkaußenteil, ein Gelenkinnenteil sowie dazwischen angeordnete Rollkörper (z. B. bei Kugelgleichlaufgelenken Kugeln oder bei Tripodegelenken Wälzkörper). Der Faltenbalg dient der Abdichtung bzw. zum Schutz des Gelenks gegenüber einer Umgebung des Gelenks. Dabei erstreckt sich der Faltenbalg z. B. ausgehend von dem Gelenkaußenteil hin zu einer mit dem Gelenkinnenteil verbundenen Welle, wobei der Faltenbalg mit einem ersten (großen) Ende an dem Gelenkaußenteil und mit einem zweiten (kleinen) Ende an der Welle befestigt ist. Zur Befestigung des Faltenbalgs an dem Gelenkaußenteil (ebenso wie an der Welle) wird z. B. ein Sicherungsring verwendet.
Derartige Faltenbalge sind grundsätzlich bekannt. Ein Faltenbalg erstreckt sich regelmäßig zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende als Hohlkörper entlang einer Achse und ist durch eine Wandung gebildet, die zwischen den Enden die Achse entlang einer Umfangsrichtung umschließt und einen Innenraum ausbildet. Die Wandung ist zumindest durch eine Mehrzahl von entlang der Achse nebeneinander angeordneten Falten gebildet, die entlang der Achse sich verändernde, quer zur Achse erstreckende und durch die Wandung gebildete Durchmesser aufweisen. In einem gestreckten Zustand des Faltenbalgs und bei einer koaxialen Anordnung des ersten Endes, der Achse und des zweiten Endes erstreckt sich jede Falte entlang der Achse ausgehend von einem ersten kleinsten Durchmesser über eine erste Flanke hin zu einem ersten größten Durchmesser und über eine zweite Flanke hin zu einem zweiten kleinsten Durchmesser. Die Falten ermöglichen bei der vorstehend beschriebenen Gelenkanordnung die dauerhafte Abdichtung des Gelenks auch bei nicht koaxial zueinander angeordneten, rotierenden Wellen.
Üblicherweise weisen die Falten in einem (unbelasteten) Ausgangszustand des Faltenbalgs eine Kreisform auf. Die einander entsprechenden kleinsten oder größten Durchmesser mehrerer Falten können hinsichtlich der Größe und ausgehend von dem ersten Ende und hin zu dem zweiten Ende sukzessive kleiner werden.
Zur Herstellung eines Faltenbalgs, können verschiedene Verfahren zum Einsatz gelangen. Je nach Material (Gummi, Thermoplast) des Faltenbalges werden dabei Innenhochdruckumformen und/oder Spritzverfahren bevorzugt. Faltenbalge, die mit thermoplastischem Material hergestellt werden, werden zumindest überwiegend mit einem Innenhochdruckverfahren, insbesondere dem so genannten „press blow molding“, gefertigt.
Faltenbälge sind im bestimmungsgemäßen Gebrauch insbesondere den folgenden Verschleißerscheinungen bzw. Belastungen unterworfen:

1. Ermüdung aufgrund von Flankenkontakt (der Wandungen der Falten), Reibung und Belastung;
2. Abrieb aufgrund von Flankendruck (der aufeinandergepressten Wandungen der Falten);
3. Ablagerungen aus der Umgebung (Staub, Schmutz, etc.)

Weiterhin erzeugen Faltenbälge im bestimmungsgemäßen Gebrauch Geräusche, insbesondere Quietschgeräusche, insbesondere infolge des bekannten „stick-slipeffect“ (bei dem benachbarte Kontaktflächen kurzzeitig miteinander adhäsiv verbunden sind und sich dann erst lösen).
Gerade bei Kaltstartbedingungen, wenn also der Faltenbalg nach längerer Ruhezeit erstmalig wieder in Bewegung gesetzt wird, können so hohe Belastungen auftreten, dass der Faltenbalg versagt, die Wandung also aufreißt. Dabei scheint das innerhalb des Faltenbalgs regelmäßig angeordnete Schmiermittel eine vorgesehene Bewegung der Falten (also das sich bei einer Umdrehung von nicht koaxial zueinander angeordneten Enden des Faltenbalgs ergebende Öffnen und Aneinanderlegen der Falten) zu behindern. Insbesondere das Öffnen der Falten wird durch eine Adhäsionswirkung des an den Falten anliegenden Schmiermittels behindert. Die bekannten Falten bzw. Flanken weisen dabei ebene Oberflächen auf, die großflächig aneinander anliegen, so dass dadurch die Adhäsionswirkung verstärkt wird.
Aus der US 5 098 344 A ist ein Faltenbalg bekannt, bei dem an den Flanken der Falten rippenartige Strukturen angeordnet sind. Dabei greifen die Rippen aneinander gegenüberliegender Flanken ineinander. Diese Strukturen sollen eine Gleitbewegung der aneinander liegenden Flanken reduzieren und die Übertragung von Torsionskräften zwischen den Falten ermöglichen, so dass Verschleiß und Belastung der Falten reduziert werden.
Aus der US 2004/0232630 A1 ist ein Faltenbalg bekannt, wobei zumindest eine Flanke einer Falte eine Vielzahl von Erhebungen oder Senken aufweist. Damit sollen die Kontaktflächen zwischen einander gegenüberliegenden Flanken auf Punktkontakte und die gerade bei nassen Flanken entstehenden Geräusche minimiert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Faltenbalg vorgeschlagen werden, der gerade gegenüber Kaltstartbedingungen vorteilhaft ausgelegt ist.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Faltenbalg mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Es wird ein Faltenbalg für eine Gelenkanordnung vorgeschlagen. Der Faltenbalg erstreckt sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende als Hohlkörper entlang einer Achse und ist durch eine Wandung gebildet, die zwischen den Enden die Achse entlang einer Umfangsrichtung umschließt und einen Innenraum ausbildet. Die Wandung ist zumindest durch eine Mehrzahl von entlang der Achse nebeneinander angeordneten Falten gebildet. Jede Falte erstreckt sich entlang der Achse ausgehend von einem ersten kleinsten Durchmesser über eine erste Flanke hin zu einem ersten größten Durchmesser und über eine zweite Flanke hin zu einem zweiten kleinsten Durchmesser.
Insbesondere bei zumindest einer Falte (oder bei einer Mehrzahl von Falten oder sogar bei allen Falten) weist eine Flanke (der jeweiligen Falte) eine Mehrzahl von, entlang der Umfangsrichtung verteilt angeordnete Strukturen auf, wobei jede Struktur durch eine, den Innenraum vergrößernde Erhebung oder durch eine, den Innenraum verkleinernde Senke gebildet ist.
Die Falten und Strukturen sind insbesondere so ausgeführt, dass bei einem Aneinanderliegen der Falten die Strukturen elastisch verformbar sind und sich dadurch eine im Innenraum vorliegende Kontaktfläche zwischen den Flanken einer Falte vergrößert.
Der Begriff Erhebung und Senke bezeichnet jeweils die Abweichung von einer ebenen Form einer Oberfläche der jeweiligen Flanke. Die Flanken erstrecken sich insbesondere zwischen dem jeweiligen kleinsten Durchmesser und dem größten Durchmesser und entlang der Umfangsrichtung umlaufend um die Achse und weisen dabei - abgesehen von den Strukturen - eine eben ausgeführte Oberfläche bzw. eine Oberfläche mit einer ebenen Form auf. Die Struktur grenzt sich insbesondere durch einen nicht stetigen Übergang der Oberfläche von der eben ausgeführten Oberfläche ab.
Insbesondere weist die Wandung zumindest im Bereich der Strukturen und/oder im Bereich der Flanken eine konstante Wandstärke auf, so dass z. B. die den Innenraum vergrößernde Erhebung auf der dem Innenraum zugewandten Seite der Flanke eine Senke ausbildet. Umgekehrt bildet die den Innenraum verkleinernde Senke auf der dem Innenraum zugewandten Seite der Flanke eine Erhebung aus.
Insbesondere beträgt eine maximale Abweichung der Erhebung bzw. Senke von einer gedachten ebenen Oberfläche mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 20 %, der Wandstärke der Flanke in diesem Bereich. Insbesondere beträgt die maximale Abweichung der Erhebung bzw. Senke von einer gedachten ebenen Oberfläche höchstens 50 %, bevorzugt höchstens 30 %, besonderes bevorzugt höchstens 25 %, der Wandstärke der Flanke in diesem Bereich.
Es konnte in Versuchen beobachtet werden, dass bei einer nicht koaxialen Anordnung der Enden und bei einem warmen Zustand des Faltenbalgs der größte Teil eines in dem Innenraum vorliegenden Schmiermittels aus der Falte (auf der Seite der Achse, auf der die Falten zusammengepresst werden und die üblicherweise eben ausgeführten Flanken einander kontaktieren und Kontaktflächen ausbilden) herausgepresst wird, wenn die Rotation des Faltenbalgs beendet ist.
Der zwischen den zusammengepressten Flanken verbleibende, sehr dünne Schmiermittelfilm wirkt wie ein Klebstoff. Er gleicht insbesondere die Oberflächendiskontinuitäten (nicht ebene Oberflächen) der Flanken aus und verursacht dadurch starke Adhäsionseffekte zwischen den zusammengepressten Falten. Bei den bekannten Falten mit eben ausgeführten Oberflächen der Flanken liegen besonders große Kontaktflächen vor. Die Adhäsionseffekte liegen insbesondere bei kalten Umgebungstemperaturen (und insbesondere bei Kaltstartbedingungen) vor, insbesondere dann, wenn das Schmiermittel in einem gefrorenen Zustand vorliegt.
Mit dann folgendem Beginn einer Rotation des Faltenbalgs (insbesondere mit gefrorenem Schmiermittel) werden die Flanken gezwungen, sich gegen den Adhäsionswiderstand der vorstehend beschriebenen Adhäsionswirkung zu trennen (und so die Falte zu öffnen). Die verzögerte Öffnung der verklebten bzw. adhäsiv verbundenen Bereiche der Falten erzeugt eine zusätzliche Belastung auf andere Bereiche, die wiederum versagen können.
Es wird vorgeschlagen, die Form der Flanken so zu verändern bzw. so auszuführen, dass alle erforderlichen Eigenschaften der üblichen Funktion erhalten bleiben. Es werden aber Strukturen hinzugefügt, die die (bei eben ausgeführten Oberflächen von Falten) großen, durchgehenden Kontaktflächen unterbrechen. Die Strukturen sind so gestaltet, dass sie sich (zu einer ebenen Form zurück) elastisch verformen, wenn die Flanken zusammengepresst werden. Dieses Verhalten (also die Form und elastische Verformung beim Zusammenpressen) erleichtert das Öffnen bzw. das Trennen der die miteinander Kontaktflächen ausbildenden Flanken zumindest auf zweierlei Weise:

1. Beim Zusammendrücken der Flanken wird das zwischen den Flanken vorliegende Schmiermittel zumindest aus dem Bereich der Strukturen verdrängt, weil dort die Flächenpressung lokal höher ist. Die Kontaktfläche, die die Adhäsionskräfte zwischen den Falten bzw. den Flanken überträgt, wird durch die Strukturen (also die Erhebung oder Senke) reduziert. Dies verringert die Gesamthaftung und erleichtert das Trennen der Flanken bzw. das Öffnen der Falten.
2. Die elastische Energie, die in der abflachenden Verformung der Strukturen gespeichert ist, erzeugt Kräfte, die das Trennen der Flanken bzw. das Öffnen der Falten unterstützen.

Es sind also insbesondere keine Strukturen vorgesehen, die bei einem Zusammenpressen der Falten ineinandergreifen (wie z. B. in der US 5 098 344 A vorgeschlagen) oder die gerade nicht elastisch verformbar ausgeführt sind (wie z. B. in der US 2004/0232630 A1 vorgeschlagen).
Die Enden des Faltenbalgs sind insbesondere hohlzylindrisch und jeweils koaxial zu der Achse ausgerichtet, so dass der Faltenbalg über das jeweilige Ende an einer Welle oder an einem Gelenkteil anordenbar ist.
Die Achse erstreckt sich geradlinig, kann insbesondere auch zumindest teilweise gekrümmt verlaufen. Insbesondere verläuft die Achse im verbauten Zustand des Faltenbalgs (z. B. in einer Gelenkanordnung) gekrümmt bzw. geneigt, weil die Enden des Faltenbalgs zumeist an nicht koaxial zueinander angeordneten Komponenten befestigt sind.
Die Wandung ist insbesondere, abgesehen von den offenen Stirnflächen an den Enden, geschlossen ausgeführt, so dass durch den Faltenbalg ein ansonsten vollständig umschlossener Hohlkörper gebildet ist.
Der Faltenbalg weist insbesondere eine Mehrzahl von entlang der Achse nebeneinander angeordneten Falten auf. Insbesondere verändert sich dabei entlang der Achse, ein sich quer zur Achse erstreckender und durch die Wandung umschlossener bzw. gebildeter Durchmesser der jeweiligen Falte im Wesentlichen kontinuierlich. Insbesondere ist der Faltenbalg rotationssymmetrisch ausgebildet (insbesondere abgesehen von den Strukturen).
Jede Falte erstreckt sich entlang der Achse ausgehend von einem ersten kleinsten Durchmesser über eine erste Flanke hin zu einem ersten größten Durchmesser und über eine zweite Flanke hin zu einem zweiten kleinsten Durchmesser. Zwischen diesen kleinsten Durchmessern ist also jeweils der erste größte Durchmesser angeordnet.
Bei zwei entlang der Achse benachbart zueinander angeordneten Falten bildet insbesondere der zweite kleinste Durchmesser einer ersten Falte den ersten kleinsten Durchmesser einer zweiten Falte. Entlang der Achse sind also abwechselnd jeweils kleinste Durchmesser und größte Durchmesser angeordnet.
In einem gestreckten (Ausgangs-)Zustand des Faltenbalgs erstrecken sich die kleinsten und größten Durchmesser insbesondere parallel zueinander. Insbesondere sind die kleinsten und größten Durchmesser sowie die Enden dann koaxial zueinander angeordnet.
In einer Seitenansicht des Faltenbalgs (insbesondere in einer Schnittansicht, in deren Ebene die Achse verläuft), also in einer Ansicht quer zur Achse, ergibt sich insbesondere ein Zick-Zack bzw. sägezahnartiger Verlauf der Wandung des Faltenbalgs. Entlang des Zick-Zack bzw. sägezahnartigen Verlaufs bilden die kleinsten Durchmesser insbesondere jeweils die lokalen Minima des Verlaufs der Wandung und die größten Durchmesser die lokalen Maxima.
Insbesondere weist bei jeweils zwei entlang der Achse benachbart angeordneten Falten immer nur eine der zwei sich gegenüberliegenden Flanken die Strukturen auf. Insbesondere wird so ermöglicht, dass bei einem Zusammenpressen der Falten die Strukturen sich so an der eben ausgeführten Flanke der anderen Falte abstützen und damit rückverformen können.
Alternativ weisen bei jeweils zwei entlang der Achse benachbart angeordneten Falten die einander gegenüberliegenden Flanken jeweils Erhebungen (also den Innenraum vergrößernde Strukturen) auf. Insbesondere wird so auch ermöglicht, dass bei einem Zusammenpressen der Falten die Strukturen sich so an der eben ausgeführten Flanke oder an der Erhebung der anderen Falte abstützen und damit rückverformen können.
Alternativ weisen die einander gegenüberliegenden Flanken einer Falte jeweils Senken (also den Innenraum verkleinernde Strukturen) auf. Insbesondere wird so auch ermöglicht, dass bei einem Zusammenpressen der Falten die Strukturen der einen Flanke sich so an der eben ausgeführten Flanke oder an der Senke der anderen Flanke abstützen und damit rückverformen können.
Insbesondere erstreckt sich die jeweilige Struktur in einer quer zur Achse erstreckenden radialen Richtung über eine Höhe, wobei gilt: $H \ddot{o} he/ [(gr \ddot{o} ßter Durchmesser - kleinster Durchmesser) / 2] \geq 0,6$
Insbesondere beträgt dieses Verhältnis, also der Term $H \ddot{o} he/ [(gr \ddot{o} ßter Durchmesser - kleinster Durchmesser) / 2]$
mindestens 0,7 oder sogar mindestens 0,8. Insbesondere beträgt dieses Verhältnis weniger als 0,95, weil die Struktur insbesondere außerhalb des jeweiligen Umkehrbereichs (also außerhalb des Übergangs zwischen zwei benachbarten Flanken) angeordnet ist.
Die Strukturen erstrecken sich also über einen größeren Teil der jeweiligen Flanke, so dass möglichst große, elastisch verformbare Bereiche und damit möglichst kleine, eben ausgeführte Kontaktflächen vorliegen.
Insbesondere weist die Flanke zwischen den Strukturen und entlang der Umfangsrichtung eine ebene Oberfläche auf.
Insbesondere weisen die Strukturen auf der Flanke eine jeweils runde (kreisrunde, elliptische, etc.) Form auf. Es können aber auch andere Formen, z. B. eckige Formen, vorgesehen sein.
Insbesondere ist die runde Form eine elliptische Form, deren größter Formdurchmesser sich zumindest in der radialen Richtung erstreckt. Insbesondere erstreckt sich der kleinste Formdurchmesser in der Umfangsrichtung.
Insbesondere sind alle an einer Flanke angeordnete Strukturen entweder als eine Erhebung oder als eine Senke ausgeführt.
Insbesondere sind die an einer Flanke angeordneten Strukturen entlang der Umfangsrichtung abwechselnd als eine Erhebung und als eine Senke ausgeführt.
Insbesondere verringern sich die Durchmesser der Falten ausgehend von dem ersten Ende und hin zu dem zweiten Ende sukzessive.
Insbesondere sind die Strukturen ausschließlich an den hin zum zweiten Ende weisenden Flanken der Falten angeordnet.
Insbesondere weisen alle Falten des Faltenbalgs die Strukturen auf.
Es wird weiter eine Gelenkanordnung vorgeschlagen, zumindest aufweisend den beschriebenen Faltenbalg sowie ein Gelenk, zumindest umfassend ein Gelenkaußenteil mit einem Hohlraum, ein Gelenkinnenteil sowie eine Mehrzahl von Rollkörpern, die zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil angeordnet sind. Das Gelenkinnenteil ist in dem Hohlraum schwenkbar angeordnet. Der Faltenbalg umschließt den Hohlraum gegenüber einer Umgebung des Gelenks. Die Gelenkanordnung umfasst insbesondere auch eine Welle, die mit dem Gelenkinnenteil verbindbar bzw. verbunden ist.
Der Faltenbalg dient insbesondere der Abdichtung bzw. zum Schutz des Gelenks gegenüber der Umgebung des Gelenks. Dabei erstreckt sich der Faltenbalg z. B. ausgehend von dem Gelenkaußenteil hin zu einer mit dem Gelenkinnenteil verbundenen Welle, wobei der Faltenbalg mit einem ersten (großen) Ende an dem Gelenkaußenteil und mit einem zweiten (kleinen) Ende an der Welle befestigt ist. Zur Befestigung des Faltenbalgs an dem Gelenkaußenteil (ebenso wie an der Welle) wird z. B. ein Sicherungsring verwendet.
Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest aufweisend eine Antriebseinheit und mindestens ein von der Antriebseinheit antreibbares Rad sowie den beschriebenen Faltenbalg oder die beschriebene Gelenkanordnung.
Insbesondere wird ein von der Antriebseinheit erzeugtes Drehmoment über die Gelenkanordnung hin zu dem Rad übertragen. Das Rad kann aber auch als nichtangetriebenes Rad an dem Kraftfahrzeug angeordnet sein.
Der Faltenbalg kann an einer Komponente des Kraftfahrzeugs, insbesondere an einem Gelenkaußenteil eines Gelenks befestigt sein und sich hin zu einer Befestigung an einer Welle, die mit einem Gelenkinnenteil des Gelenks verbunden ist, erstrecken.
Die Ausführungen zu dem Faltenbalg sind insbesondere auf die Gelenkanordnung und das Kraftfahrzeug übertragbar und umgekehrt.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

1: ein Kraftfahrzeug mit einer Gelenkanordnung in einer Seitenansicht im Schnitt;
2: eine Gelenkanordnung in einem abgebeugten ersten Zustand;
3: die Gelenkanordnung nach 2 in einem gestreckten Zustand;
4: die Gelenkanordnung nach 2 und 3in einem abgebeugten zweiten Zustand;
5: einen Faltenbalg in einer ersten perspektivischen Ansicht;
6: den Faltenbalg nach 5 in einer zweiten perspektivischen Ansicht;
7: den Faltenbalg nach 5 und 6 in einer Ansicht entlang der Achse;
8: ein erstes Detail des Faltenbalgs nach 5 bis 7;
9: ein zweites Detail des Faltenbalgs nach 5 bis 7;
10: ein drittes Detail des Faltenbalgs nach 5 bis 7.

Die 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 27 mit einer Gelenkanordnung 2 in einer Seitenansicht im Schnitt. Das Kraftfahrzeug 27 weist eine Antriebseinheit 28 und ein von der Antriebseinheit 28 antreibbares Rad 29 sowie eine Gelenkanordnung 2 auf.
Die Gelenkanordnung 2 umfasst einen Faltenbalg 1 sowie ein Gelenk 21. Das Gelenk 21 ist hier als grundsätzlich bekanntes Tripodegelenk ausgeführt. Das Gelenk 21 kann selbstverständlich auch als grundsätzlich bekanntes Kugelgleichlaufgelenk ausgebildet sein.
Das Gelenk 21 umfasst ein Gelenkaußenteil 22 mit einem Hohlraum 23, ein Gelenkinnenteil 24 (mit mehreren Zapfen 31) sowie eine Mehrzahl von (an den Zapfen 31 angeordneten) Rollkörpern 25, die zwischen dem Gelenkaußenteil 22 und dem Gelenkinnenteil 24 angeordnet sind. Das Gelenkinnenteil 24 ist in dem Hohlraum 23 schwenkbar angeordnet. Der Faltenbalg 1 umschließt den Hohlraum 23 gegenüber einer Umgebung 26 des Gelenks 21. Die Gelenkanordnung 2 umfasst auch eine Welle 32, die mit dem Gelenkinnenteil 24 verbunden ist. Über die Welle 32 ist das Rad 29 mit dem Gelenk 21 verbunden.
Der Faltenbalg 1 dient der Abdichtung bzw. zum Schutz des Gelenks 21 gegenüber der Umgebung 26 des Gelenks 21. Dabei erstreckt sich der Faltenbalg 1 ausgehend von dem Gelenkaußenteil 22 hin zu der mit dem Gelenkinnenteil 24 verbundenen Welle 32, wobei der Faltenbalg 1 mit einem großen ersten Ende 3 an dem Gelenkaußenteil 22 und mit einem kleinen zweiten Ende 4 an der Welle 32 befestigt ist. Zur Befestigung des Faltenbalgs 1 an dem Gelenkaußenteil 22 und an der Welle 32 ist ein Sicherungsring 30 vorgesehen.
Der Faltenbalg 1 erstreckt sich zwischen einem ersten Ende 3 und einem zweiten Ende 4 als Hohlkörper entlang einer Achse 5 und ist durch eine Wandung 6 gebildet, die zwischen den Enden 3, 4 die Achse 5 entlang einer Umfangsrichtung 7 umschließt und einen Innenraum 8 ausbildet. Die Wandung 6 ist zumindest durch eine Mehrzahl von entlang der Achse 5 nebeneinander angeordneten Falten 9, 10 gebildet, die entlang der Achse 5 sich verändernde, quer zur Achse 5 erstreckende und durch die Wandung 6 umschlossene Durchmesser 11, 13, 15 aufweisen. Jede Falte 9, 10 erstreckt sich entlang der Achse 5 ausgehend von einem ersten kleinsten Durchmesser 11 über eine erste Flanke 12 hin zu einem ersten größten Durchmesser 13 und über eine zweite Flanke 14 hin zu einem zweiten kleinsten Durchmesser 15.
In dem gestreckten (Ausgangs-)Zustand des Faltenbalgs 1 erstrecken sich die kleinsten und größten Durchmesser 11, 13, 15 parallel zueinander. Die kleinsten und größten Durchmesser 11, 13, 15 sowie die Enden 3, 4 sind koaxial zueinander angeordnet.
Die Achse 5 erstreckt sich geradlinig, kann insbesondere auch zumindest teilweise gekrümmt bzw. geneigt verlaufen (siehe 2 und 4).
Die Wandung 6 ist, abgesehen von den offenen Stirnflächen an den Enden 3, 4, geschlossen ausgeführt, so dass durch den Faltenbalg 1 ein ansonsten vollständig umschlossener Hohlkörper gebildet ist.
Entlang der Achse 5 verändert sich ein sich quer zur Achse 5 erstreckender und durch die Wandung 6 umschlossener bzw. gebildeter Durchmesser 11, 13, 15 der jeweiligen Falte 9, 10 im Wesentlichen kontinuierlich. Der Faltenbalg 1 ist rotationssymmetrisch ausgebildet.
In der Seitenansicht des Faltenbalgs 1, also in der Ansicht quer zur Achse 5, ergibt sich ein Zick-Zack bzw. sägezahnartiger Verlauf der Wandung 6 des Faltenbalgs 1. Entlang des Zick-Zack bzw. sägezahnartigen Verlaufs bilden die kleinsten Durchmesser 11, 15 jeweils die lokalen Minima des Verlaufs der Wandung 6 und die größten Durchmesser 13 die lokalen Maxima.
2 zeigt eine Gelenkanordnung 2 in einem abgebeugten ersten Zustand. 3 zeigt die Gelenkanordnung 2 nach 2 in einem gestreckten Zustand. 4 zeigt die Gelenkanordnung 2 nach 2 und 3 in einem abgebeugten zweiten Zustand. Die 2 bis 4 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu 1 wird verwiesen.
Jede der 2 bis 4 weist oben eine Ansicht der Gelenkanordnung 2 und darunter ein Detail der jeweiligen Figur auf. Hier ist jeweils der mit einem ersten Ende 3 an einem Gelenkaußenteil 22 und mit einem zweiten Ende 4 an einer Welle 32 befestigter Faltenbalg 1 in verschiedenen Zuständen dargestellt.
Es konnte in Versuchen beobachtet werden, dass bei einer nicht koaxialen Anordnung der Enden 3, 4 (siehe 2 und 4) und bei einem warmen Zustand des Faltenbalgs 1 der größte Teil eines in dem Innenraum 8 vorliegenden Schmiermittels 34 aus der Falte 9, 10 (auf der Seite der Achse 5, auf der die Falten 9, 10 zusammengepresst werden und die üblicherweise eben ausgeführten Flanken 12, 14 einander kontaktieren und Kontaktflächen ausbilden) herausgepresst wird, wenn die Rotation des Faltenbalgs 1 beendet ist.
Der zwischen den zusammengepressten Flanken 12, 14 verbleibende, sehr dünne Schmiermittelfilm wirkt wie ein Klebstoff. Er gleicht insbesondere die Oberflächendiskontinuitäten (nicht ebene Oberflächen) der Flanken 12, 14 aus und verursacht dadurch starke Adhäsionseffekte zwischen den zusammengepressten Falten 9, 10. Bei den bekannten Falten 9, 10 mit eben ausgeführten Oberflächen 19 der Flanken 12, 14 liegen besonders große Kontaktflächen (siehe 2) vor. Die Adhäsionseffekte liegen insbesondere bei kalten Umgebungstemperaturen (und insbesondere bei Kaltstartbedingungen) vor, insbesondere dann, wenn das Schmiermittel 34 in einem gefrorenen Zustand vorliegt.
Mit dann folgendem Beginn einer Rotation des Faltenbalgs 1 (insbesondere mit gefrorenem Schmiermittel 34) werden die Flanken 12, 14 gezwungen, sich gegen den Adhäsionswiderstand der vorstehend beschriebenen Adhäsionswirkung zu trennen (und so die Falte 9, 10 zu öffnen). Die verzögerte Öffnung der verklebten bzw. adhäsiv verbundenen Bereiche der Falten 9, 10 erzeugt eine zusätzliche Belastung auf andere Bereiche, die wiederum versagen können.
5 zeigt einen Faltenbalg 1 in einer ersten perspektivischen Ansicht. 6 zeigt den Faltenbalg 1 nach 5 in einer zweiten perspektivischen Ansicht. 7 zeigt den Faltenbalg 1 nach 5 und 6 in einer Ansicht entlang der Achse 5. 8 zeigt ein erstes Detail des Faltenbalgs 1 nach 5 bis 7. 9 zeigt ein zweites Detail des Faltenbalgs 1 nach 5 bis 7. 10 zeigt ein drittes Detail des Faltenbalgs 1 nach 5 bis 7. Die 5 bis 10 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 4 wird verwiesen.
Der Faltenbalg 1 erstreckt sich zwischen einem ersten Ende 3 und einem zweiten Ende 4 als Hohlkörper entlang einer Achse 5 und ist durch eine Wandung 6 gebildet, die zwischen den Enden 3, 4 die Achse 5 entlang einer Umfangsrichtung 7 umschließt und einen Innenraum 8 ausbildet. Die Wandung 6 ist zumindest durch eine Mehrzahl von entlang der Achse 5 nebeneinander angeordneten Falten 9, 10 gebildet. Jede Falte 9, 10 erstreckt sich entlang der Achse 5 ausgehend von einem ersten kleinsten Durchmesser 11 über eine erste Flanke 12 hin zu einem ersten größten Durchmesser 13 und über eine zweite Flanke 14 hin zu einem zweiten kleinsten Durchmesser 15.
Bei einer Mehrzahl von Falten 9, 10 weist jeweils eine zweite Flanke 14 eine Mehrzahl von, entlang der Umfangsrichtung 7 verteilt angeordnete Strukturen 16 auf, wobei jede Struktur 16 durch eine, den Innenraum 8 vergrößernde Erhebung (siehe 10) oder durch eine, den Innenraum 8 verkleinernde Senke (siehe 8) gebildet ist.
Die Falten 9, 10 und Strukturen 16 sind so ausgeführt, dass bei einem Aneinanderliegen der Falten 9, 10 die Strukturen 16 elastisch verformbar sind und sich dadurch eine im Innenraum 8 vorliegende Kontaktfläche zwischen den Flanken 12, 14 einer Falte 9, 10 vergrößert (nämlich durch das Anliegen der die Struktur 16 bildenden Oberfläche der einen Flanke 12, 14 an eine Oberfläche der anderen Flanke 14, 12).
Der Begriff Erhebung und Senke bezeichnet jeweils die Abweichung von einer ebenen Form einer (ebenen) Oberfläche 19 der jeweiligen Flanke 12, 14. Die Flanken 12, 14 erstrecken sich zwischen dem jeweiligen kleinsten Durchmesser 11, 15 und dem größten Durchmesser 13 und entlang der Umfangsrichtung 7 umlaufend um die Achse 5 und weisen dabei - abgesehen von den Strukturen 16 - eine eben ausgeführte Oberfläche 19 bzw. eine Oberfläche mit einer ebenen Form auf. Die Struktur 16 grenzt sich durch einen nicht stetigen Übergang der Oberfläche von der eben ausgeführten Oberfläche 19 (siehe 5 bis 10) ab.
Die Wandung 6 weist zumindest im Bereich der Strukturen 16 und im Bereich der Flanken 12, 14 eine konstante Wandstärke auf, so dass z. B. die den Innenraum 8 vergrößernde Erhebung auf der dem Innenraum 8 zugewandten Seite der zweiten Flanke 14 eine Senke ausbildet (siehe 10). Umgekehrt bildet die den Innenraum 8 verkleinernde Senke auf der dem Innenraum 8 zugewandten Seite der zweiten Flanke 14 eine Erhebung aus.
Eine maximale Abweichung 33 der Erhebung bzw. Senke von einer gedachten ebenen Oberfläche 19 beträgt ca. 25 % der Wandstärke der zweiten Flanke 14 in diesem Bereich.
Die Form der Flanken 12, 14 ist so ausgeführt, dass alle erforderlichen Eigenschaften der üblichen Funktion erhalten bleiben. Die zweiten Flanken 14 weisen aber Strukturen 16 auf, die die (bei eben ausgeführten Oberflächen 19 von Falten 9, 10) großen, durchgehenden Kontaktflächen unterbrechen. Die Strukturen 16 sind so gestaltet, dass sie sich (zu einer ebenen Form zurück) elastisch verformen, wenn die Flanken 12, 14 zusammengepresst werden. Dieses Verhalten (also die Form und elastische Verformung beim Zusammenpressen) erleichtert das Öffnen bzw. das Trennen der die miteinander Kontaktflächen ausbildenden Flanken 12, 14 zumindest auf zweierlei Weise:

1. Beim Zusammendrücken der Flanken 12, 14 wird das zwischen den Flanken 12, 14 vorliegende Schmiermittel 34 zumindest aus dem Bereich der Strukturen 16 verdrängt, weil dort die Flächenpressung lokal höher ist. Die Kontaktfläche, die die Adhäsionskräfte zwischen den Falten 9, 10 bzw. den Flanken 12, 14 überträgt, wird durch die Strukturen 16 (also die Erhebung oder Senke) reduziert. Dies verringert die Gesamthaftung und erleichtert das Trennen der Flanken 12, 14 bzw. das Öffnen der Falten 9, 10.
2. Die elastische Energie, die in der abflachenden Verformung der Strukturen 16 gespeichert ist, erzeugt Kräfte, die das Trennen der Flanken 12, 14 bzw. das Öffnen der Falten 9, 10 unterstützen.

Bei jeweils zwei entlang der Achse 5 benachbart angeordneten Falten 9, 10 weist immer nur eine der zwei sich gegenüberliegenden Flanken 12, 14 (hier die zweiten Flanken 14) die Strukturen 16 auf. Insbesondere wird so ermöglicht, dass bei einem Zusammenpressen der Falten 9, 10 die Strukturen 16 sich so an der eben ausgeführten ersten Flanke 12 der anderen Falte 10, 9 abstützen und damit rückverformen können.
Alternativ (hier nicht dargestellt) weisen bei jeweils zwei entlang der Achse 5 benachbart angeordneten Falten 9, 10 die einander gegenüberliegenden Flanken 12, 14 jeweils Erhebungen (also den Innenraum 8 vergrößernde Strukturen 16) auf. Insbesondere wird so auch ermöglicht, dass bei einem Zusammenpressen der Falten 9, 10 die Strukturen 16 sich so an der eben ausgeführten Flanke 12, 14 oder an der Erhebung der anderen Falte 9, 10 abstützen und damit rückverformen können.
Alternativ (hier nicht dargestellt) weisen die einander gegenüberliegenden Flanken 12, 14 einer Falte 9, 10 jeweils Senken (also den Innenraum 8 verkleinernde Strukturen 16) auf. Insbesondere wird so auch ermöglicht, dass bei einem Zusammenpressen der Falten 9, 10 die Strukturen 16 der einen Flanke 12, 14 sich so an der eben ausgeführten Flanke 12, 14 oder an der Senke der anderen Flanke 12, 14 abstützen und damit rückverformen können.
Die jeweilige Struktur 16 erstreckt sich in einer quer zur Achse 5 erstreckenden radialen Richtung 17 über eine Höhe 18, wobei gilt:

Höhe / [(größter Durchmesser der Flanke - kleinster Durchmesser der Flanke) / 2] ≥ 0,6 (siehe 8 und 10).

Insbesondere beträgt dieses Verhältnis, also der Term $H \ddot{o} he/ [(gr \ddot{o} ßter Durchmesser - kleinster Durchmesser) / 2]$
weniger als 0,95, weil die Struktur 16 außerhalb des jeweiligen Umkehrbereichs 35 (also außerhalb des Übergangs zwischen zwei benachbarten Flanken 12, 14 (siehe 8 und 10) angeordnet ist.
Die Strukturen 16 erstrecken sich also über einen größeren Teil der jeweiligen Flanke 12, 14, so dass möglichst große, elastisch verformbare Bereiche und damit möglichst kleine, eben ausgeführte Kontaktflächen vorliegen.
Die zweite Flanke 14 weist zwischen den Strukturen 16 und entlang der Umfangsrichtung 7 eine ebene Oberfläche 19 auf. Die erste Flanke 12 weist entlang der Umfangsrichtung 7 und zwischen den Umkehrbereichen 35 ebene Oberflächen 19 auf.
Die Strukturen 16 auf der zweiten Flanke 14 weisen eine jeweils runde, elliptische Form auf. Der größte Formdurchmesser 20 der elliptischen Form erstreckt sich zumindest in der radialen Richtung 17. Erkennbar erstreckt sich der kleinste Formdurchmesser in der Umfangsrichtung 7.
Insbesondere sind alle an einer Flanke 12, 14 angeordnete Strukturen 16 entweder als eine Erhebung (gemäß 10) oder als eine Senke (gemäß 8) ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich sind die an einer Flanke 12, 14 angeordneten Strukturen 16 entlang der Umfangsrichtung 7 abwechselnd als eine Erhebung (gemäß 10) und als eine Senke (gemäß 8) ausgeführt.
Erkennbar verringern sich die Durchmesser 11, 13, 15 der Falten 9, 10 ausgehend von dem ersten Ende 3 und hin zu dem zweiten Ende 4 sukzessive.
Bezugszeichenliste

1: Faltenbalg
2: Gelenkanordnung
3: erstes Ende
4: zweites Ende
5: Achse
6: Wandung
7: Umfangsrichtung
8: Innenraum
9: erste Falte
10: zweite Falte
11: erster kleinster Durchmesser
12: erste Flanke
13: erster größter Durchmesser
14: zweite Flanke
15: zweiter kleinster Durchmesser
16: Struktur
17: radiale Richtung
18: Höhe
19: ebene Oberfläche
20: größter Formdurchmesser
21: Gelenk
22: Gelenkaußenteil
23: Hohlraum
24: Gelenkinnenteil
25: Rollkörper
26: Umgebung
27: Kraftfahrzeug
28: Antriebseinheit
29: Rad
30: Sicherungsring
31: Zapfen
32: Welle
33: Abweichung
34: Schmiermittel
35: Umkehrbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5098344 A [0009, 0023]
US 20040232630 A1 [0010, 0023]

Claims

Faltenbalg (1) für eine Gelenkanordnung (2), wobei sich der Faltenbalg (1) zwischen einem ersten Ende (3) und einem zweiten Ende (4) als Hohlkörper entlang einer Achse (5) erstreckt und durch eine Wandung (6) gebildet ist, die zwischen den Enden (3, 4) die Achse (5) entlang einer Umfangsrichtung (7) umschließt und einen Innenraum (8) ausbildet; wobei die Wandung (6) zumindest durch eine Mehrzahl von entlang der Achse (5) nebeneinander angeordneten Falten (9, 10) gebildet ist; wobei sich jede Falte (9, 10) entlang der Achse (5) ausgehend von einem ersten kleinsten Durchmesser (11) über eine erste Flanke (12) hin zu einem ersten größten Durchmesser (13) und über eine zweite Flanke (14) hin zu einem zweiten kleinsten Durchmesser (15) erstreckt und zumindest bei einer Falte (9, 10) eine Flanke (12, 14) eine Mehrzahl von, entlang der Umfangsrichtung (7) verteilt angeordnete Strukturen (16) aufweist, wobei jede Struktur (16) durch eine, den Innenraum (8) vergrößernde Erhebung oder durch eine, den Innenraum verkleinernde Senke gebildet ist; wobei die Falten (9, 10) und Strukturen (16) so ausgeführt sind, dass bei einem Aneinanderliegen der Falten (9, 10) die Strukturen (16) elastisch verformbar sind und sich dadurch eine im Innenraum (8) vorliegende Kontaktfläche zwischen den Flanken (12, 14) einer Falte (9, 10) vergrößert.
Faltenbalg (1) nach Patentanspruch 1, wobei bei jeweils zwei entlang der Achse (5) benachbart angeordneten Falten (9, 10) immer nur eine der zwei sich gegenüberliegenden Flanken (12, 14) die Strukturen (16) aufweist.
Faltenbalg (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei sich die jeweilige Struktur (16) in einer quer zur Achse (5) erstreckenden radialen Richtung (17) über eine Höhe (18) mit Höhe / [(größter Durchmesser - kleinster Durchmesser) / 2] ≥ 0,6 erstreckt.
Faltenbalg (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Flanke (12, 14) zwischen den Strukturen (16) und entlang der Umfangsrichtung (7) eine ebene Oberfläche (19) aufweist.
Faltenbalg (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Strukturen (16) auf der Flanke (12, 14) eine jeweils runde Form aufweisen.
Faltenbalg (1) nach Patentanspruch 3, wobei die runde Form eine elliptische Form ist, deren größter Formdurchmesser (20) sich zumindest in der radialen Richtung (17) erstreckt.
Faltenbalg (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei alle an einer Flanke (12, 14) angeordneten Strukturen (16) entweder als eine Erhebung oder als eine Senke ausgeführt sind.
Faltenbalg (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 6, wobei die an einer Flanke (12, 14) angeordneten Strukturen (16) entlang der Umfangsrichtung (7) abwechselnd als eine Erhebung und als eine Senke ausgeführt sind.
Faltenbalg (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei sich die Durchmesser (11, 13, 15) der Falten (9, 10) ausgehend von dem ersten Ende (3) und hin zu dem zweiten Ende (4) sukzessive verringern, wobei die Strukturen (16) ausschließlich an den hin zum zweiten Ende (4) weisenden zweiten Flanken (14) der Falten (9, 10) angeordnet sind.
Faltenbalg (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei alle Falten (9, 10) des Faltenbalgs (1) die Strukturen (16) aufweisen.
Gelenkanordnung (2), zumindest aufweisend einen Faltenbalg (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 10 sowie ein Gelenk (21), zumindest umfassend ein Gelenkaußenteil (22) mit einem Hohlraum (23), ein Gelenkinnenteil (24) sowie eine Mehrzahl von Rollkörpern (25), die zwischen dem Gelenkaußenteil (22) und dem Gelenkinnenteil (24) angeordnet sind, wobei das Gelenkinnenteil (24) in dem Hohlraum (23) schwenkbar angeordnet ist; wobei der Faltenbalg (1) den Hohlraum (23) gegenüber einer Umgebung (26) des Gelenks (21) umschließt.
Kraftfahrzeug (27), zumindest aufweisend eine Antriebseinheit (28) und mindestens ein von der Antriebseinheit (28) antreibbares Rad (29) sowie einen Faltenbalg (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 10 oder eine Gelenkanordnung (2) nach Patentanspruch 11.