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Die
Erfindung betrifft einen Metallbalg mit mehrlagigem Aufbau aus zumindest
drei Balglagen zur Aufnahme von Axialbewegungen unter Innen- oder
Außendruck,
insbesondere zur Verwendung als Ventilspindel- oder Kompensatorbalg.
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Ein
Anwendungsfeld für
Metallbälge
ist die Abdichtung von Ventilspindeln, wobei die Bälge mit
statischem Druck und wechselnder axialer Auslenkung belastet werden.
Um dabei ein Ausknicken des Balgs zu vermeiden, wird der Balg in
der Regel so angeordnet, dass der höhere Druck auf der Außenseite
des Balgs vorherrscht. Durch die wechselnden axialen Bewegungen
beim Öffnen
und Schließen
des Ventils ermüdet
der Metallbalg, so dass nur eine begrenzte Anzahl von Ventilhüben zulässig ist.
Diese zulässige
Hubzahl vermindert sich stark mit zunehmender Größe der Hubbewegung.
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Hierbei
sind für
einen Metallbalg Druckfestigkeit einerseits und axiale Beweglichkeit
andererseits gegensätzliche
Anforderungen: Denn eine hohe Druckfestigkeit erfordert eine große Wandstärke des
Metallbalgs, während
eine hohe Beweglichkeit durch dünnwandige
Bälge erreicht
wird. Um nun eine größere Beweglichkeit
mit einer dennoch hohen Druckfestigkeit zu erhalten, werden üblicherweise
Bälge verwendet,
die – bei gleicher
Gesamtwandstärke – aus mehreren
Einzellagen aufgebaut sind.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
die mehrlagigen Metallbälge
des Standes der Technik weiter zu verbessern und sie insbesondere
hinsichtlich ihrer Lebensdauer zu optimieren.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Balglagen zumindest teilweise unterschiedliche Wandstärken aufweisen
und dass hierbei deren einzelne Wandstärken bevorzugt jeweils möglichst so
gewählt
sind, dass bei Axialbewegungen des Metallbalgs die Spannungsamplituden
in den einzelnen Lagen im Wesentlichen gleich groß sind.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist die Verwendung eines von den übrigen Balglagen abweichenden
Werkstoffes mit erhöhter
Ermüdungsfestigkeit
für die äußeren Balglagen
möglich.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die einzelnen
Balglagen bei Axialbewegung des Balgs und anstehendem Innen- oder
Außendruck
unterschiedlich belastet werden. So hat bei gleicher Lagendicke
die Außenlage
geometriebedingt die kleinste Ermüdungslebensdauer, da hier an
der Innenkrempe, also dem Wellental die höchsten Spannungsamplituden
auftreten. Ursache dafür
sind die an dieser Stelle in Umfangs- und in Meridianrichtung minimalen
Krümmungsradien
der Balgwelle. Somit treten Ermüdungsrisse
zunächst
bei den stärker
gekrümmten
Balgoberflächen
auf und breiten sich hin zur schwächer gekrümmten Balgoberfläche aus.
Die am stärksten
gekrümmte
Balglage versagt dabei zuerst. Durch Ermüdungsrisse in der druckzugewandten
Balglage wird die Druckbelastung der verbleibenden Lagen erhöht, was
letztendlich einen Balgausfall durch Bersten oder Beulen nach sich
zieht. Die noch vorhandene Lebensdauer der inneren Balglagen bei
Ermüdungsbelastung
bleibt dadurch ungenutzt.
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Wird
nun erfindungsgemäß die Wanddicke
der Einzellagen so an die radiale und meridionale Krümmung der
Balgkrempen angepasst, dass bei axialer Ermüdungsbelastung die Spannungsamplituden
in den einzelnen Lagen möglichst
gleich groß sind,
erhält
man dadurch bei gleich bleibender Gesamtwandstärke des Metallbalgs eine nahezu
gleiche Ermüdungsbelastung
in allen Lagen und damit insgesamt eine erhöhte Gesamtlebensdauer des Balgs.
Da die Gesamtwanddicke gleich bleibt, bleibt auch die Druckfestigkeit
entsprechend erhalten. Ebenso kann die Lebensdauer der äußeren Balglagen
durch einen Werkstoff höherer
Ermüdungsfestigkeit
an die der inneren Balglagen angepasst werden.
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Die
Anmelderin hat durch Vergleichstests herausgefunden, dass man die
gleiche Erhöhung
der Lebensdauer bei einem Balg des Standes der Technik mit gleicher
Wanddicke aller Lagen dann erreichen könnte, wenn die Baulänge um etwa
15 bis 20% vergrößert würde, was
nicht nur die Herstellkosten erhöhen,
sondern auch zu entsprechenden Problemen hinsichtlich des Einbauraums
führen
würde.
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Ein
Lebensdauergewinn kann in etwas geringerem Ausmaß bereits dadurch erzielt werden,
dass allein die äußerste und/oder
innerste Balglage hinsichtlich ihrer Wandstärke reduziert werden, also
die Balglage, die aufgrund der stärksten Krümmung bei Axialbewegungen am
stärksten
belastet werden und deshalb dünner auszuführen sind.
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Optimal
ist es, wenn die Wandstärke
von der radial äußersten
zu einer der radial mittleren Lagen zunimmt und von dieser radial
mittleren Lage zur radialen innersten Lage wieder abnimmt, so dass
die zumindest eine mittlere Lage die größte Wandstärke aufweist, da sie im Bereich
ihrer Krempen vergleichsweise am wenigsten gekrümmt ausgebildet ist.
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Wir
der Metallbalg so eingebaut, dass er unter Außendruck steht, also auf seiner
radialen Außenseite einen
größeren Druck
aufweist als auf seiner radialen inneren Seite, so ist es wesentlich
für die
vorliegende Erfindung, dass zumindest die Wandstärke der radial äußersten
Balglage reduziert ist. Denn je geringer die Spannungsamplitude
bei axialer Ermüdungsbelastung
im Bereich dieser äußersten
Lage ist, desto weniger besteht die Gefahr von Ermüdungsrissen,
die diese äußerste Lage
beschädigen
und somit auch die Druckfestigkeit des Gesamtbauteils herabsetzen
und so zum Ausfall führen.
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Wie
bereits erwähnt,
wird die Ermüdung
im Wesentlichen durch Biegespannungen aus der Bewegung hervorgerufen.
Exakt lassen sich diese nur mit numerischen Verfahren bestimmen,
näherungsweise
gilt:
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E
ist der E-Modul, s die Einzellagenstärke, w die Wellenhöhe, Δq die Schwingbreite
der zyklischen Bewegung und C
d ein Korrekturfaktor,
der näherungsweise
durch den Polynomansatz
beschrieben
werden kann. Für
die Lebensdauern gilt:
mit den werkstoffabhängigen Koeffizienten
k
1 > 0
und k
2 = –3 .... – 6.
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Mit
abnehmendem Krempenradius verringert sich der Parameter C
d, d. h. die Spannungen vergrößern sich
von der Mittellage zu den äußeren Lagen
hin. Dementsprechend verringern sich die Lebensdauern. Für eine gleiche
Lebensdauer in allen Lagen muss demzufolge die Bedingung
erfüllt sein. Dies kann über eine
Variation der Wandstärke,
d. h.
erreicht werden oder allenfalls
noch über
eine Variation der Ermüdungsfestigkeit,
d. h.
was in der Regel unterschiedliche
Werkstoffe der einzelnen Lagen voraussetzt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der
Zeichnung; hierbei zeigen
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1 einen
Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen als Ventilspindelbalg eingesetzten
Metallbalg; und
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2a)–d)
einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Metallbalgs im Axialschnitt
in Figur a), eine Mittellage dieses Metallbalgs in Figur b), eine
Innenlage dieses Metallbalgs in Figur c) und eine Außenlage
des Metallbalgs in Figur d).
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1 zeigt
einen Metallbalg 1, der als Ventilspindelbalg verwendet
wird und hierbei eine Ventilspindel 2 eines Ventils 3 abdichtet.
An der Ventilspindel ist an ihrem oberen Ende ein Handrad 4 als
Betätigungselement
und an ihrem entgegengesetzten unteren Ende ein Absperrelement 5 vorgesehen.
Die Ventilspindel und das Absperrelement 5 sind in einem
Ventilgehäuse 6 angeordnet
und dienen dazu, die Strömungsverbindung zwischen
einem Strömungseinlass 7 und
einem Strömungsauslass 8 zu
unterbrechen bzw. freizugeben.
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Aus 1 ist
unschwer erkennbar, dass der Metallbalg beim Öffnen des Ventils in Axialrichtung
gestaucht und beim Schließen
des Ventils in Axialrichtung wieder gestreckt wird. Um ein Ausknicken
des Metallbalgs 1 zu verhindern, wird er so angeordnet,
dass er unter Außendruck
steht, also auf seiner radialen Außenseite durch die im Ventilgehäuse 2 anstehende
Flüssigkeit
ein höherer
Druck vorherrscht als auf der von der Ventilspindel 2 durchquerten
radialen Innenseite.
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2 zeigt nun den Axialschnitt durch einen
Teilbereich eines erfindungsgemäßen Metallbalgs 2,
der aus vier einzelnen Lagen 11, 12, 13, 14 aufgebaut
ist, wobei 2c) in Einzeldarstellung
die radial innerste Lage 14, 2d) in
Einzeldarstellung die radial äußerste Lage 11 und 2b) eine der beiden Mittellagen, nämlich die
Mittellage 12 zeigt. Es ist unschwer erkennbar, dass die
Innenlage 14 und die Außenlage 11 einerseits
weit gewellte und andererseits eng gewellte Bereiche aufweisen:
Die Innenlage 14 ist im Bereich ihrer Außenkrempe,
also ihres Wellenbergs 14a eng gewellt, während ihre
Innenkrempe, also ihr Wellental 14b weitgewellt ist. Im
Gegensatz dazu ist bei der äußersten
Lage 11 die Außenkrempe 11a,
also der Wellenberg weitgewellt, wohingegen die Innenkrempe 11b,
also das Wellental eng gewellt ausgeführt ist.
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Demgegenüber zeigt 2b die Mittellage 12, die eine
nahezu gleichen Wellenverlauf mit gleicher Wellenkrümmung im
Bereich der Außenkrempe 12a,
wie auch im Bereich der Innenkrempe 12b zeigt.
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Wird
nun der Metallbalg 2 Axialbewegungen unterworfen, so ist
die Ermüdungsbelastung
in den weit gewellten Bereichen 14b, 11a und auch
in der Mittellage 12a, 12b vergleichsweise gering,
da hier die Krümmung
vergleichsweise klein ist. Jedoch in den eng gewellten Bereichen 14a, 11b führt diese
axiale Längenänderung
aufgrund der starken Krümmung
zu hohen Spannungsamplituden und bei einer entsprechend hohen Lastspielzahl
zu Ermüdungsrissen
bis hin zu einem Ermüdungsbruch.
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Sind
nun die radial äußerste Lage 11 und/oder
die radial innerste Lage 14 – wie im in 2 gezeigten Beispielfall – dünnwandiger
ausgeführt,
verringern sich die Spannungen aus der Axialbewegung und die Lagen ermüden nicht
so schnell.
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Die
Reduzierung ihrer Wandstärke
reduziert zwar entsprechend auch ihre Druckfestigkeit; da sie jedoch
auf der radial benachbarten Seite von der nächsten Balglage unterstützt werden
und insgesamt die für die
Druckfestigkeit maßgebliche
Gesamtwandstärke
verglichen mit einem beispielhaften Balg des Standes der Technik
mit gleich dicken Balglagen, so führt die Reduzierung der Wandstärke der
radial äußersten
und/oder innersten Lage insgesamt nicht zu einer verringerten Druckfestigkeit.
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Zusammenfassend
bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, mit einfachen Maßnahmen
die Lebensdauer von mehrlagigen Metallbälgen zu erhöhen, wodurch sich zum einen
Herstellkosten und zum anderen Einbauraum im Vergleich zu herkömmlichen
Balgausführungsformen
reduzieren lassen.
mit den werkstoffabhängigen Koeffizienten k1 > 0 und k2 = –3 .... – 6.
erreicht werden oder allenfalls noch über eine Variation der Ermüdungsfestigkeit, d. h.
was in der Regel unterschiedliche Werkstoffe der einzelnen Lagen voraussetzt.