DE4438558C2 - Balg, Verfahren zur Herstellung und Verwendung eines Balgs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Balg, ein Verfahren zur Herstellung eines Balges sowie die Verwendung eines solchen Balges.

Ein Balg ist ein dünnwandiger Rohrkörper, der schrauben­ förmig, insbesondere aber ringförmig verlaufende Wellen mit Wellenbergen und Wellentälern aufweist und hierdurch ein axiales Federungsvermögen und eine schlauchartige Biegsamkeit erhält. Bälge werden bisher zur Aufnahme axialer, angularer und lateraler Bewegungen eingesetzt.

Die DE 31 20 811 A1 zeigt eine flexible Kupplung zum Verbinden von zwei Unterwasserleitungen mit einem Balg, durch dessen Flexibilität erreicht wird, daß auch zuein­ ander geneigt oder versetzt ausgerichtete Leitungsenden durch die Kupplung miteinander verbunden werden können. Die Kupplung ist durch ihren Balg in bekannter Weise zur Aufnahme langsamer axialer, angularer und lateraler Bewegungen geeignet.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Metallbälge, wenn sie auch grundsätzlich bei Bälgen aus anderem Mate­ rial, wie Kunststoffbälgen, einsetzbar ist.

Herkömmliche Bälge können keinen Verdrehwinkeln entlang ihrer Längsachse, insbesondere keinen sich verändernden Verdrehwinkeln über lange Zeit unterworfen werden. Ein Metallbalg verhält sich nämlich zunächst wie ein äquiva­ lentes Metallrohr mit gleicher Wandstärke und einem dem Mittelwert des Außen- und Innendurchmessers des Balges entsprechenden Durchmesser mit einer Torsionsfederkon­ stante entsprechend dem äquivalenten Rohr. Würde ein solcher Balg alternierenden Verdrehwinkeln ausgesetzt, so würde dies schnell zu einem Brechen und Versagen des Balges insbesondere im Bereich der Krempen führen auf­ grund dort ausgeübter, unzulässiger plastischer Wechsel­ verformungen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu überwinden.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch einen Balg gelöst, welcher durch Wendelform gekennzeichnet ist. Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Balges sieht vor, daß ein zunächst in üblicher Weise hergestellter, koaxial zu einer gestreckten Symmetrieachse verlaufender Balg einer elastischen Drehverformung bis über den seinem Knickmoment entsprechenden Torsionswinkel hinaus ausge­ setzt wird.

Ein verdrillter Balg kann als Torsionsbalg eingesetzt werden und hat bei schwellenden Verdrehungen um einen konstanten Verdrehwinkel, der einen gewissen Ausgangs- oder Mindestwinkel nicht unterschreitet, eine erhebliche, insbesondere eine ausreichende Lebensdauer. Das Torsions­ moment wird im Balg anteilig als Biegemoment senkrecht zur Balgachse auf die Balgwellen übertragen, die ihre Form erhalten und sich lediglich wendelförmig senkrecht zu der durch sie bestimmten Wendelachse anstellen. Bei weiterer Verdrehung über den vorgenannten konstanten Verdrehwinkel hinaus und damit Erhöhung des Torsionsmo­ ments verdrillt sich der Balg weiter, die Wellen kippen noch mehr zur Torsionsachse. Hierdurch werden größere Anteile des Torsionsmoments in Biegung umgesetzt. Der verdrillte Balg hat demnach eine degressive Torsionsfe­ derkonstante. Einmal in der verdrillten Lage ist der Balg in der Lage, weitere Verdrehungen elastisch aufzunehmen und so dynamischen Lastwechseln standzuhalten. Der Balg ist in dieser erfindungsgemäßen verdrillten Form nicht mehr in der Lage, Drehmomente zu übertragen, er kann damit selbst nicht die Funktion einer momentenübertragen­ den Kupplung erfüllen.

Die minimale Verdrillung des Balges ist vorzugsweise durch den zu seinem Knickmoment zugehörigen Torsionswin­ kel

bestimmt, wobei das

ist. Hierbei ist:
C_phi: die Biegesteifigkeit des Balges (z. B. nach EJMA)
L_n: die gestreckte Länge einer Welle
B_wel: die Wellenzahl
B_n: die Lagenzahl
S_min: die Wandstärke
R_m: der mittlere Balgradius

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Balgenden parallel zueinander ausgerichtet sind.

Bevorzugte Ausgestaltungen sehen vor, daß die maximale Auslenkung der Symmetrieachsen einzelner Balgwellen gegenüber einer geraden Verbindung der Enden des Balges höchstens 30° beträgt und daß die maximale Auslenkung der Symmetrieachsen einzelner Balgwellen gegenüber einer geraden Verbindung der Enden des Balges mindestens 10° beträgt.

Während der Balg grundsätzlich in der beschriebenen Weise derart hergestellt werden kann, daß ein in üblicher Weise zunächst mit den Wellen versehener gestreckter Balg über einen seinem Knickmoment entsprechenden Winkel hinaus verdrillt wird und anschließend elastisch bis in eine gewünschte Mittelstellung verdrillt wird, um die er dann schwellenden Verdrehungen ausgesetzt werden kann, wobei eine Rückverdrehung zu seiner Ausgangskonfiguration nicht den seinem Knickmoment entsprechenden Torsionswinkel erreichen darf, sieht eine äußerst bevorzugte Ausgestal­ tung vor, daß der Balg zur plastischen Verformung bis etwas über das Anliegen der Balgwellen hinaus weiter verdrillt und anschließend entlastet wird. Hierbei federt der Balg nach der Entlastung nicht in seine gestreckte Ausgangskonfiguration, sondern nur in eine leicht ver­ drillte Lage zurück. Ausgehend von dieser wird der Balg dann wieder in der ursprünglichen Richtung weiterverdreht und in einer gewünschten Mittelstellung fixiert, um die hin er dann wieder elastische Verdrillungen seiner Enden aufnehmen kann.

Ein erfindungsgemäßer Balg kann in vielfältiger Weise eingesetzt werden, insbesondere zur drehelastischen und biegeelastischen, gasdichten Kapselung von relativ zuein­ ander verdrehbaren Wellenabschnitten, so beispielsweise zur Kapselung einer Meßwelle, wie einer Drehmomentenmeß­ welle, bei der Dehnmeßstreifen gegen Umwelteinflüsse abgekapselt werden müssen. Er kann weiter eingesetzt werden zur Kapselung einer tordierten Welle oder von drehelastischen Wellenkupplungen, wie sie zur Ruckdämp­ fung eingesetzt werden. Da der erfindungsgemäße Balg nicht nur Verdrehungen der beiden Wellenenden um die Rotations- oder Momentenachse aufnehmen kann, sondern wie bekannte Bälge auch Winkelungen und Versetzungen der Wellenenden senkrecht zu dieser Achse um zu ihr senkrecht stehende Kardanachsen bzw. deren resultierende Drehachse, kann der erfindungsgemäße Balg auch zur Kapselung belie­ biger Kupplungen, welche Winkelungen um alle drei Raum­ achsen zulassen, eingesetzt werden. Der Balg kann damit zur Kapselung von dreh- und winkelelastischen bzw. dreh- und winkelbeweglichen, momentenübertragenden Wellenkupp­ lungen mit definierten, d. h. formschlüssig begrenzten, oder kraftgesteuerten Bewegungsmöglichkeiten um alle drei Raumachsen eingesetzt werden. Weiterhin kann der Balg zusätzlich auch den axialen und lateralen Versatz zweier Wellenenden zueinander aufnehmen. In allen Fällen können jeweils statische Änderungen und/oder dynamische Änderun­ gen, also Bewegungen, der relativen Positionen der Balg­ enden aufgenommen werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschrei­ bung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Balg im Schnitt;

Fig. 2a einen erfindungsgemäßen Balg als Kapselung von Dehn-Meßstreifen zur Monentenmessung im Längsschnitt;

Fig. 2b das Ausführungsbeispiel der Fig. 2a in Draufsicht von rechts entsprechend dem Pfeil B; und

Fig. 3 eine Darstellung eines erfindungsge­ mäßen Balges zur Kapselung eines Kardangelenkes.

Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen, wendelförmig gestalteten Balg 1. Der Balg 1 weist parallel ausgerich­ tete Balgenden 2, 3 auf. Weiterhin ist in der Fig. 1 die zu den Balgwellen koaxiale Wendellinie 4 sowie die Tor­ sionsachse 6 erkennbar. Mit M und -M sind gegeneinander wirkende Torsionsmomente angegeben, durch welche der Balg in seine in der Fig. 1 dargestellte verdrillte Lage überführt wurde. Zu betonen ist, daß der Balg nicht nur S-förmig geführt ist, sondern bei einer Sicht entspre­ chend dem Pfeil S in der Blattebene die gleiche Verfor­ mung zeigt, wie in der Fig. 1 bei Blick auf die Blatt­ ebene dargestellt, d. h. damit räumlich um die Momenten­ achse 6 verdrillt ist bzw. die Konfiguration einer fla­ chen Wendel aufweist.

Die Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Balg 1 zur Kapselung von Dehnmeßstreifen 11 zur Momentenmessung, wobei die Dehnmeßstreifen 11 hier lediglich schematisch dargestellt sind. Die Dehnmeßstreifen dienen zur Messung der auf zwei Wellenenden 12, 13 einer momentenübertragen­ den Meßwelle wirkenden Momenten M, -M. Bei 14 ist der Balg mit dem linken Wellenende 12 gasdicht verbunden, beispielsweise durch Schweißen, Löten, Kleben. Wenn es nicht auf eine völlig gasdichte Verbindung ankommt, so kann die Verbindung auch durch Schrumpfen oder Kalibrie­ ren erfolgen. In gleicher Weise ist bei 16 der Balg 1 mit dem rechten Wellenende 13 verbunden. Bei 17 sind die Anschlußkabel der Dehnmeßstreifenanordnung, die neben den eigentlichen Dehnmeßstreifen 11 auch eine zugehörige Elektronik aufweisen kann, herausgeführt. Mit A ist hier die in jedem Falle übereinstimmende Rotationsachse der Welle und Momentenachse bezeichnet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3 dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Kapselung eines Kardangelenkes durch einen erfindungsgemäßen Balg als Beispiel zur Kapselung von Wellenabschnitten oder Kupplungen, welche neben der Verdrehung um eine Rota­ tionsachse durch Torsion zusätzlich auch noch einen Versatz oder eine Winkelung beider Wellenenden zulassen.

Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet.

Bei 21 handelt es sich um das Wellenende einer momenten­ übertragenden Welle. Bei 22 handelt es sich um das Ende einer anderen momentenübertragenden Welle, wobei die beiden Wellen bzw. deren Wellenenden 21, 22 durch ein Kardangelenk 23 miteinander verbunden sind, welches zunächst Winkelungen der Wellenenden 21 und 22 zueinander zuläßt, wobei die Winkelung um eine der Kardanachsen 24 dargestellt ist, eine Winkelung um die hierzu senkrechte Kardanachse 26 aber in gleicher Weise zulässig ist. Darüber hinaus erlaubt das dargestellte Kardangelenk auch noch zusätzliche Verdrehungen der Wellenenden 21, 22 um mit R bzw. R' bezeichnete Rotationsachsen. Das Wellenende 22 ist unter Momentenbelastung M des Wellenendes 21 um die Rotationsachsen R verdreht.

Bei 14 und 16 sind bei der Ausgestaltung der Fig. 2 die Anbindungen des Balges an die Wellenenden dargestellt, wobei diese Anbindung in der oben beschriebenen Weise erfolgt.

Ein Balg mit einem Außendurchmesser von 49,7 mm, einem Innendurchmesser von 34 mm, einer Wellenzahl von 15, einer Wandstärke von 0,2 mm und einer gesamten unbelaste­ ten Baulänge ohne Enden von 60 mm wurde zur plastischen Verformung um 30° verdreht. Nach Entlastung federte er in eine um 10° gegenüber der Ausgangskonfiguration verdrehte Lage zurück. Der Balg kann zur Aufnahme von Drehbewegun­ gen zwischen 15 und 20° um eine Ausgangsposition entspre­ chend einer Verdrehung um 20° gegenüber der ursprüngli­ chen Konfiguration des gestreckten Ausgangsbalges einge­ setzt werden.

Es hat sich herausgestellt, daß bei einem Innendurchmes­ ser in der genannten Größenordnung sowie 10 bis 15 Wellen ohne weiteres eine Verdrehung von 15 bis 20° erreicht werden kann. Wenn der Balg nur um wenige Grade verdreht wird, so wird der freidurchgängige Innendurchmesser auch nur um wenige % verkleinert, so daß bei einem Innendurch­ messer des Balgs eine Welle mit einem Durchmesser von bis zu 25 mm durch diesen hindurchgeführt werden kann.

Claims (11)

1. Balg, gekennzeichnet durch Wendelform in axialer Richtung zur Aufnahme von Verdrehwinkeln.

2. Balg nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgenden (2, 3) beliebig zueinander ausgerich­ tet sind.

3. Balg nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Auslenkung der Symmetrieachsen einzelner Balgwellen gegenüber einer geraden Verbindung der Enden (2, 3) des Balges höchstens 30° beträgt.

4. Balg nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Auslenkung der Symmetrieachsen einzelner Balgwellen gegenüber einer geraden Verbindung der Enden (2, 3) des Balges mindestens 10° beträgt.

5. Balg nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg noch zusätzlich zur Verdrillung um seine Längsachse auch zur statischen oder zyklischen Aufnahme axialer, lateraler und angularer Bewegungen ausgebildet ist.

6. Balg nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg ringgewellt ist.

7. Balg nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg wendelgewellt ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Balges nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zunächst in üblicher Weise hergestellter, koaxial zu einer gestreckten Symmetrieachse verlau­ fender Balg einer elastischen Drehverformung bis über den seinem Knickmoment entsprechenden Torsions­ winkel hinaus ausgesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg zur plastischen Verformung bis etwas über das Anliegen der Balgwellen hinaus weiter verdrillt und anschließend entlastet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg aus seiner nach Durchführung des Ver­ fahrens 6 gegebenen leicht verdrillten Entlastungs­ konfiguration hinaus wieder weiter verdrillt wird, bis eine gewünschte Drehsteifigkeit erreicht wird, und daß er in dieser Stellung fixiert wird.

11. Verwendung eines Balgs nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur drehelastischen, gasdichten Kapselung von relativ zueinander verdrehbaren Wellenabschnitten.