DE102011053131A1

DE102011053131A1 - Membranbalg aus profilierten Metallstreifen

Info

Publication number: DE102011053131A1
Application number: DE102011053131A
Authority: DE
Inventors: Matthias Weiss; Karl-Heinz Münker; Dietmar Baumhoff; Andreas Gerhard; Dipl.-Ing. Schenk Karsten; Dr.-Ing. Henkelmann Michael; Dipl.-Ing. Selter Oliver; Dr.-Ing. Hauk Stefan
Original assignee: Westfalia Metallschlauchtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Westfalia Metal Hoses GmbH
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2012-05-24
Also published as: US20120125192A1; US9291263B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen profilierten Metallstreifen (110) sowie einen daraus hergestellten Membranbalg (100) und das zugehörige Herstellungsverfahren, wobei mindestens ein Rand (R, R') des Metallstreifens eine Rückbiegung (113, 113') des Streifenmaterials enthält. Zur Herstellung eines Membranbalgs wird mindestens ein derartiger Metallstreifen (110) gewickelt, wobei die aneinanderstoßenden Ränder (R, R') benachbarter Windungen (W, W') stoffschlüssig miteinander verbunden werden, beispielsweise durch eine Schweißnaht (114).

Description

Die Erfindung betrifft einen profilierten Metallstreifen für einen Membranbalg, einen hieraus hergestellten Membranbalg, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Membranbalges.
Aus der DE 10 2008 001 297 A1 ist ein wendelgewellter Membranbalg bekannt, welcher aus einem spiralförmig gewickelten, vorprofilierten Metallstreifen besteht. Die Ränder benachbarter Windungen des Metallstreifens liegen dabei unter einem spitzen Winkel im Wesentlichen parallel zueinander und sind im Berührungsbereich miteinander verschweißt.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Membranbalg mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen, insbesondere mit einer erhöhten Lebensdauer.
Diese Aufgabe wird durch einen profilierten Metallstreifen nach Anspruch 1, durch einen Membranbalg nach Anspruch 2, sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Gemäß ihrem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen profilierten Metallstreifen, aus welchem ein Membranbalg hergestellt werden kann. Das Wort ”Metallstreifen” soll dabei allgemein einen Körper aus Metall bezeichnen, welcher in einer Längsrichtung eine sehr viel größere (quasi beliebig lange bzw. ”endlose”) Erstreckung aufweist als in einer dazu senkrecht liegenden Querrichtung. Des Weiteren soll die ”Profilierung” dieses Metallstreifens beinhalten, dass der in Querrichtung verlaufende Querschnitt durch den Metallkörper eine vorgegebene Form (”Profil”) aufweist, die typischerweise von einer einfachen geraden Linie abweicht. Diese Form ist vorzugsweise (jedoch nicht zwingenderweise) entlang der gesamten Längserstreckung des Metallstreifens dieselbe. Als Materialien für den Metallstreifen kommen insbesondere temperaturstabile und korrosionsbeständige Metalle in Betracht, insbesondere Edelstahl.
Der erfindungsgemäße profilierte Metallstreifen ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer seiner (in Längsrichtung verlaufenden) Ränder eine Rückbiegung (d. h. eine 180°-Umbiegung) des Streifenmaterials enthält. Durch die Rückbiegung ist die Materialdicke des Metallstreifens im Randbereich verdoppelt. Die Rückbiegung soll sich vorzugsweise auf den Randbereich beschränken, d. h. in Querrichtung nicht über die gesamte Breite des Metallstreifens erstrecken. In Längsrichtung erstreckt sich die Rückbiegung indes vorteilhafterweise entlang der gesamten Längskante des Metallstreifens.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Membranbalg aus einem gewickelten, vorprofilierten Metallstreifen, wobei benachbarte Windungen des Metallstreifens an ihren Rändern zumindest stellenweise stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Bei den verwendeten vorprofilierten Metallstreifen soll es sich um einen Metallstreifen der vorstehend beschriebenen Art handeln, bei dem mindestens ein Rand eine Rückbiegung des Streifenmaterials enthält.
Schließlich betrifft die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Membranbalgs, insbesondere eines Membranbalgs der vorstehend beschriebenen Art, welches die folgenden Schritte umfasst:

a) Herstellung mindestens eines vorprofilierten Metallstreifens, bei dem mindestens ein Rand eine Rückbiegung des Streifenmaterials enthält.
b) Wickeln des vorstehend genannten Metallstreifens (oder der Metallstreifen) zu einem spiralförmigen Gebilde, wobei die Wicklung optional weitere (”normale”) Metallstreifen umfassen kann.
c) Stoffschlüssiges Verbinden aneinanderstoßender Ränder benachbarter Windungen des gewickelten Gebildes, beispielsweise durch Löten oder Schweißen.

Der erfindungsgemäße profilierte Metallstreifen, der Membranbalg, und das Herstellungsverfahren sind über das gemeinsame Merkmal verbunden, dass ein Rand des Metallstreifens eine Rückbiegung aufweist. Definitionen, Erläuterungen, Modifikationen und Vorteile für einen dieser Gegenstände gelten daher sinngemäß auch für die übrigen Gegenstände, ohne dass sie im Einzelnen neu erwähnt werden müssten.
Wie praktische Versuche gezeigt haben, wird durch die erfindungsgemäße Rückbiegung an mindestens einem Rand des Metallstreifens überraschenderweise eine deutlich erhöhte Lebensdauer des aus dem Metallstreifen hergestellten Membranbalges erreicht.
Im Folgenden werden verschiedene optionale Weiterbildungen der Erfindung beschrieben, welche auf den vorprofilierten Metallstreifen, den Membranbalg, sowie das Herstellungsverfahren für einen Membranbalg gleichermaßen anwendbar sind.
Während es im Prinzip ausreicht, wenn ein (Längs-)Rand des Metallstreifens eine Rückbiegung aufweist, ist es bevorzugt, dass beide Ränder des Metallstreifens eine solche Rückbiegung des Streifenmaterials haben. Bei einem an beiden Rändern umgebogenen Metallstreifen kann erreicht werden, dass die durch Stoffschluss zu verbindenden, aneinanderstoßenden Windungen in einem Membranbalg beide eine Materialverdoppelung besitzen. Dadurch lässt sich die Lebensdauer des Membranbalgs noch einmal deutlich erhöhen.
Der Metallstreifen ist vorzugsweise so profiliert, dass er im Querschnitt mindestens eine Einschnürung oder Ausbauchung aufweist. Der Querschnitt des erfindungsgemäßen Metallstreifens kann insbesondere U-förmig, V-förmig, oder W-förmig sein oder aus derartigen Querschnitten zusammengesetzt sein. U-förmige und V-förmige Querschnitte enthalten dabei eine einzige Einschnürung (oder Ausbauchung), während W-förmige oder zusammengesetzt Querschnitte zwei bzw. mehrere derartiger Einschnürungen (oder Ausbauchungen) aufweisen. Querschnitte mit mehreren Einschnürungen haben den Vorteil, dass der daraus hergestellte Membranbalg bei gleicher Flexibilität einen geringeren Herstellungsaufwand benötigt, da nur in größeren axialen Abständen eine stoffschlüssige Verbindung vorzunehmen ist.
Das Querschnittsprofil des vorprofilierten Metallstreifens ist gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise so, dass in einem aus dem Metallstreifen hergestellten Membranbalg die verbundenen Ränder benachbarter Windungen im radialen Schnitt gesehen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die genannten Ränder legen sich dann im Verbindungsbereich flach aneinander, wodurch die Spannungsbelastung der Verbindungsstelle verringert wird.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können die verbundenen Ränder benachbarter Windungen eines Membranbalges im radialen Schnitt gesehen vorzugsweise senkrecht zur Wickelachse (Membranbalg-Achse) stehen. Hierdurch wird die Verwendung von Metallstreifen mit symmetrischen Querschnittsprofilen möglich.
Bei einem Membranbalg, der mit dem erfindungsgemäßen Metallstreifen hergestellt wird, stoßen die Ränder benachbarter Windungen im Verbindungsbereich aneinander, wobei mindestens einer der Ränder eine Rückbiegung aufweist. Diese Rückbiegung kann entweder auf der Seite der Berührungsfläche zur angrenzenden Windung liegen oder von dieser Berührungsfläche abgewandt sein. Die letztgenannte Option wird dabei erfindungsgemäß bevorzugt.
Wenn ein vorprofilierter Metallstreifen zu einem Membranbalg gewickelt wird, können die Ränder benachbarter Windungen theoretisch an jeder radialen Position (bezogen auf die Wickelachse) liegen. Insbesondere können die verbundenen Ränder benachbarter Windungen am Innenradius des Membranbalgs liegen. Besonders bevorzugt ist es, wenn sie am Außenradius des Membranbalgs aneinanderstoßen, da sie dann am Besten zugänglich sind für eine stoffschlüssige Verbindung.
In einem aus dem erfindungsgemäßen Metallstreifen hergestellten Membranbalg kann die Biegelinie der Rückbiegung vorzugsweise auf der radial äußersten Erstreckung des Membranbalgs liegen. Dies hat den Vorteil, dass eine Berührung des Membranbalgs von außen im Wesentlichen an der Biegelinie stattfindet, wodurch sich ein Kontakt zu scharfen Kanten oder dergleichen vermeiden lässt.
Im allgemeinen Fall reicht es aus, dass benachbarte Windungen des Membranbalgs stellenweise (lokal) stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind benachbarte Windungen indes durchgehend stoffschlüssig verbunden, beispielsweise mittels einer durchgehenden Schweißnaht. In diesem Falle kann ein insgesamt gasdichter Membranbalg hergestellt werden.
Die Mitte der genannten Schweißnaht ist vorteilhafterweise radial mindestens ca. 0.5 mm, vorzugsweise mindestens ca. 1 mm vom Außendurchmesser und vom Innendurchmesser des Membranbalgs entfernt. Die radiale Position der Schweißnaht kann dann variieren, ohne dass die Naht dadurch unterbrochen würde, was den Schweißvorgang vereinfacht.
Weitere mögliche Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen vorprofilierten Metallstreifens bzw. eines daraus hergestellten Membranbalges ergeben sich aus der DE 10 2008 001 297 A1 , welche vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Beispielsweise können die Windungen des Membranbalgs durch eine als Stirnflachnaht ausgeführte und am Außendurchmesser oder am Innendurchmesser angeordnete Schweißnaht verbunden sein.
Ferner beträgt bei einer V-förmigen Profilierung des Metallstreifens der Biegeradius im Innern der Knicklinie des Profils typischerweise weniger als 0.8 mm, vorzugsweise weniger als 0.1 mm.
Der Membranbalg kann weiterhin optional so ausgestaltet sein, dass das Verhältnis der axialen Erstreckung seiner Wellenberge zur axialen Erstreckung seiner Wellentäler kleiner als 1, vorzugsweise kleiner als 0.9, besonders bevorzugt kleiner als 0.85 ist. Dabei werden die axialen Erstreckungen jeweils bei entspanntem Membranbalg ab dem mittleren Radius zwischen Innenradius und Außenradius gemessen.
Der Metallstreifen kann gemäß einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt mit gewellten Flanken profiliert sein. Die Wellung ist dabei für beide Flanken vorzugsweise gleichgerichtet, so dass sich die Flanken bei Stauchung des Membranbalgs im Wesentlichen ohne Zwischenräume aneinanderlegen können. Durch die Wellung erhalten die Flanken noch mehr Flexibilität.
Wie schon in der Bezeichnung ”Balg” zum Ausdruck kommt, ist bei den erfindungsgemäßen Membranbälgen die Steghöhe, d. h. der Unterschied zwischen maximalem Außenradius und minimalem Innenradius, verhältnismäßig groß. Typischerweise liegt sie in einem Bereich von 5% bis 30% des Innendurchmessers des Schlauches. Bezogen auf die Materialstärke des Metallstreifens beträgt die Steghöhe h vorzugsweise mindestens das Zehn- bis Zwanzigfache.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Identische oder ähnliche Komponenten erhalten dabei in den Zeichnungen um Vielfache von 100 unterschiedliche Bezugsziffern. Es zeigt:
1 das Querschnittsprofil eines ersten, U-förmigen erfindungsgemäßen Metallstreifens;
2 den Querschnitt der Wand eines mit dem Metallstreifen von 1 hergestellten Membranbalgs;
3 das Querschnittsprofil eines zweiten, W-förmigen erfindungsgemäßen Metallstreifens;
4 den Querschnitt der Wand eines mit dem Metallstreifen von 3 hergestellten Membranbalgs.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen vorprofilierten Metallstreifen 110 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Metallstreifen 110 erstreckt sich dabei ”endlos” in die zur Zeichenebene senkrechte y-Richtung, wobei er an jeder Stelle dieser ”Längsrichtung” dasselbe Querschnittsprofil aufweisen soll. Letzteres ist jedoch nicht zwingend der Fall, so dass die Erfindung auch Metallstreifen mit sich verändernden Querschnittsprofilen umfasst.
Der Metallstreifen 110 ist im Wesentlichen U-förmig und in Querrichtung (x-Richtung) symmetrisch ausgestaltet. Er weist zwei Schenkel 111 auf, die durch eine eine Einschnürung E bildende Biegung miteinander verbunden sind.
An seinen Rändern R ist die U-Form des Metallstreifens 110 zum einen etwas verbreitert. Zum anderen bestehen die Ränder R aus einem im Wesentlichen radial (d. h. in z-Richtung) verlaufenden Kontaktsteg 112, dessen radiale Verlängerung um 180° umgebogen ist und somit eine Rückbiegung 113 des Materialstreifens bildet. Durch die Rückbiegung 113 entsteht im Bereich des Randes R eine Materialverdoppelung.
Wie in 1 dargestellt ist, sind vorzugsweise beide Ränder R des Metallstreifens 110 gleichermaßen (spiegelbildlich) ausgebildet, d. h. beide mit Rückbiegungen 113 versehen. Im Rahmen der Erfindung könnte jedoch auch nur einer der Ränder mit einer Rückbiegung versehen sein und/oder Rückbiegungen könnten nur stellenweise entlang der Längserstreckung (y-Richtung) vorgesehen sein.
Des Weiteren liegt bei der Ausführungsform von 1 die Rückbiegung 113 innen, also an der Innenseite des Kontaktsteges 112 (”innen” jeweils in Bezug auf die U-Form). Generell soll es im Rahmen der Erfindung jedoch auch möglich sein, dass die Rückbiegung an der Außenseite liegen kann.
In 2 ist ein Schnitt durch die Wandung eines Membranbalges 100 dargestellt, welcher durch spiralförmiges Wickeln des Metallstreifens 110 von 1 hergestellt werden kann. Die Wickelachse bzw. Membranbalg-Achse X ist in der Figur ebenfalls angedeutet (nicht maßstäblich), wobei die gegenüberliegende Wandung des Membranbalges 100 spiegelbildlich zu dieser Achse X vorzustellen ist. Benachbarte Windungen W, W' des Metallstreifens 110 stoßen mit ihren Rändern R, R' am Außenradius aneinander. Aufgrund der oben beschriebenen Profilform berühren sie sich dabei mit den sich (im radialen Schnitt gesehen) senkrecht zur Wickelachse X erstreckenden Kontaktstegen. Da die Rückbiegungen 113, 113' wie erläutert an der Innenseite der U-Profile liegen, kommen diese nicht mit der jeweiligen Nachbarwindung in Kontakt.
Zur dauerhaften Fixierung der Wickelstruktur und um den entstehenden Membranbalg 100 gasdicht zu machen, sind die Ränder R, R' benachbarter Windungen W, W' durch eine durchgehende Schweißnaht 114 miteinander verbunden.
Der fertige Membranbalg 100 hat eine spiralförmig umlaufende radiale Einschnürung E, welche ihm die gewünschte Flexibilität verleiht. Des Weiteren zeigt sich, dass er aufgrund der Rückbiegungen 113, 113' eine hohe Lebensdauer unter mechanischer Belastung hat, beispielsweise bei Verwendung als Entkopplungselement im Abgasweg eines Kraftfahrzeuges.
3 zeigt eine alternative W-förmige Querschnittsform eines erfindungsgemäßen Metallstreifens 210. Im Unterschied zur Querschnittsform von 1 sind hier zwei radiale Einschnürungen E vorhanden, welche durch eine außenliegende Ausbauchung B miteinander verbunden sind. Die Ränder R des Metallstreifens sind ähnlich wie beim Profil von 1 ausgestaltet, so dass auf eine erneute detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.
4 zeigt einen Ausschnitt aus einer Wand eines Membranbalgs 200, welcher durch Wickeln des Metallstreifens 210 hergestellt werden kann. Auch hier gelten die zu 2 gemachten Ausführungen analog. Ein Vorteil des W-Profils 210 liegt darin, dass bei einer gleichen Anzahl von Einschnürungen E pro Längeneinheit weniger Aufwand zur Herstellung der Schweißnaht 214 erforderlich ist, da Letztere mit einer größeren axialen Steigung verläuft (etwa doppelt so groß wie bei 2).
Während in den Figuren angenommen wurde, dass der jeweilige Membranbalg aus einem einzigen Metallstreifen hergestellt wird, kann ein erfindungsgemäßer Membranbalg optional auch aus zwei oder mehreren, vorzugsweise unterschiedlich vorprofilierten Metallstreifen (z. B. den Metallstreifen 110 und 210) hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008001297 A1 [0002, 0021]

Claims

Profilierter Metallstreifen (110, 210) für einen Membranbalg (100, 200), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rand (R, R') des Metallstreifens eine Rückbiegung (113, 113', 213) des Streifenmaterials enthält.
Membranbalg (100, 200) aus mindestens einem gewickelten, vorprofilierten Metallstreifen (110, 210), wobei benachbarte Windungen (W, W') an ihren Rändern (R, R') stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rand (R, R') des Metallstreifens eine Rückbiegung (113, 113', 213) des Streifenmaterials enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Membranbalgs (100, 200), insbesondere eines Membranbalgs nach Anspruch 2, umfassend die folgenden Schritte: a) Herstellung mindestens eines vorprofilierten Metallstreifens (110, 210), bei dem mindestens ein Rand (R, R') eine Rückbiegung (113, 113', 213) des Streifenmaterials enthält; b) Wickeln des genannten Metallstreifens oder der genannten Metallstreifen; c) stoffschlüssiges Verbinden aneinanderstoßender Ränder benachbarter Windungen (W, W') des Wickelproduktes.
Metallstreifen (110, 210), Membranbalg (100, 200), oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Metallstreifens (110, 210) U-förmig, V-förmig, oder W-förmig ist oder aus derartigen Querschnitten zusammengesetzt ist.
Metallstreifen (110, 210), Membranbalg (100, 200), oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Membranbalg (100, 200) die verbundenen Ränder (R, R') benachbarter Windungen (W, W) im radialen Schnitt gesehen parallel zueinander verlaufen.
Metallstreifen (110, 210), Membranbalg (100, 200), oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Membranbalg (100, 200) die verbundenen Ränder (R, R') benachbarter Windungen (W, W') im radialen Schnitt gesehen im Wesentlichen senkrecht zur Wickelachse (X) erstrecken.
Metallstreifen (110, 210), Membranbalg (100, 200), oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückbiegung (113, 113', 213) des Metallstreifens (110, 210) von der Berührungsfläche (112, 212) benachbarter Windungen (W, W') des Membranbalgs (100, 200) abgewandt ist.
Metallstreifen (110, 210), Membranbalg (100, 200), oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verbundenen Ränder (R, R') benachbarter Windungen (W, W') am Außenradius des Membranbalgs (100, 200) liegen.
Metallstreifen (110, 210), Membranbalg (100, 200), oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegelinie der Rückbiegung (113, 113', 213) auf der radial äußersten Erstreckung des Membranbalgs liegt.
Metallstreifen (110, 210), Membranbalg (100, 200), oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Windungen (W, W') durchgehend stoffschlüssig verbunden sind, insbesondere durch eine Schweißnaht (114, 214).