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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faltenbalglamelle, einen Faltenbalg, insbesondere einen Metallfaltenbalg, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Faltenbalglamelle und des Faltenbalgs.
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Faltenbälge sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise zeigt die
DE 10 2016 200 821 B3 einen metallischen Faltenbalg einer Gleitringdichtungsanordnung, welcher an einem Gleitring angeordnet ist und eine abzudichtende Welle umschließt. Der Faltenbalg weist dabei einen zylindrischen Aufbau mit einer Vielzahl von Falten auf. Die Falten des Faltenbalgs werden dabei durch einzelne Faltenbalglamellen (Ringsegmente), welche an ihrem Außenumfang und Innenumfang jeweils mit benachbarten Faltenbalglamellen verschweißt sind, hergestellt. Diese Art der Herstellung ist sehr aufwändig und kostenintensiv und insbesondere besteht die Gefahr, dass bei einer nicht vollständig ausgeführten Schweißnaht Undichtigkeiten am Faltenbalg auftreten können. Daher ist bei der Herstellung mit höchster Sorgfalt vorzugehen, was derartige Faltenbälge sehr teuer macht. Weiterhin kann durch das schweißgebundene Verbindungsverfahren der einzelnen Ringsegmente keine exakt definierte Vorspannung des Faltenbalgs in Axialrichtung bereitgestellt werden. Dadurch ergibt sich bei der Herstellung derartiger Metallfaltenbälge ein hoher Anteil von Ausschuss.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Faltenbalglamelle, einen Faltenbalg sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, welche eine einfache und kostengünstige Herstellung ermöglichen und insbesondere einen Faltenbalg für eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer exakt vordefinierten Vorspannung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Faltenbalglamelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Faltenbalg mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Faltenbalglamelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil einer besonders einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit auf. Weiterhin kann eine exakt vordefinierte Vorspannung einer Faltenbalglamelle ohne großen Aufwand erreicht werden. Hierdurch ist eine schnelle Anpassung einer Produktion zur Herstellung verschiedener Faltenbalglamellen mit unterschiedlichen Federeigenschaften möglich. Weiterhin können erfindungsgemäß dadurch schnell und einfach unterschiedliche Faltenbälge hergestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Faltenbalglamelle einen ringförmigen Federbereich, einen inneren Randbereich und einen äußeren Randbereich aufweist. Der Federbereich ist zwischen dem inneren und äußeren Randbereich angeordnet. Hierbei ist eine erste Dicke D1 des Federbereichs kleiner als eine zweite Dicke D2 des inneren Randbereichs und kleiner als eine dritte Dicke D3 des äußeren Randbereichs. Durch die unterschiedlichen Dicken von Federbereich und innerem und äußerem Randbereich werden die Federeigenschaften der Faltenbalglamelle definiert. Eine gewünschte Federkraft der Faltenbalglamelle kann hierbei durch einfache Anpassung von prozesstechnischen Maßnahmen bei der Herstellung eingestellt werden. Somit können durch Verbindung mehrerer Faltenbalglamellen Faltenbälge mit unterschiedlichsten Steifigkeiten und Federvorspannungen bereitgestellt werden.
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Damit die Faltenbalglamelle eine möglichst lange Lebensdauer aufweist, ist vorzugsweise ein erster und zweiter Übergang zwischen dem Federbereich und dem inneren und äußeren Randbereich jeweils im Schnitt bogenförmig, d.h., kantenfrei, ausgebildet. Hierdurch werden scharfe Kanten am Übergang zwischen dem Federbereich und den Randbereichen vermieden. Weiter bevorzugt kann durch eine jeweilige Wahl der Radien der bogenförmigen Übergangsbereiche zwischen Randbereichen und Federbereich auch eine weitere Einstellmöglichkeit einer Federkraft bzw. Steifigkeit der Faltenbalglamelle ermöglicht werden.
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Weiter bevorzugt ist der Federbereich der Faltenbalglamelle in einer Ebene E angeordnet und der innere Randbereich ist in einem ersten Winkel α abgewinkelt und der äußere Randbereich ist in einem zweiten Winkel β zur Ebene E abgewinkelt. Dabei sind der erste und zweite Winkel jeweils ein spitzer Winkel oder jeweils ein rechter Winkel. Hierdurch kann eine vereinfachte Anbindung von nebeneinander angeordneten Faltenbalglamellen zu einem Faltenbalg realisiert werden.
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Vorzugsweise sind der erste und zweite Winkel α, β zwischen der Ebene E und dem inneren und äußeren Randbereich gleich. Alternativ sind die Winkel unterschiedlich gewählt.
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Weiter bevorzugt ist die Ebene E, in welcher der Federbereich liegt, im Wesentlichen senkrecht, bevorzugt genau senkrecht, zu einer Mittelachse der Faltenbalglamelle angeordnet.
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Die Faltenbalglamelle ist besonders bevorzugt als einstückiges Bauteil, umfassend den ringförmigen Federbereich, den inneren Randbereich und den äußeren Randbereich, hergestellt. Besonders bevorzugt ist die Faltenbalglamelle aus Metall, insbesondere aus Federstahl. Bei der einstückigen Ausgestaltung müssen daher keine Schweißnähte oder dgl. zur Verbindung der Teilbereiche der Faltenbalglamelle vorgesehen werden. Hierdurch können die Herstellkosten reduziert werden und ferner kann noch eine sehr exakte Einstellung des Federvermögens der Faltenbalglamelle erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der innere Randbereich und der äußere Randbereich in Radialrichtung der Faltenbalglamelle übereinander angeordnet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist keine radiale Überdeckung des inneren und äußeren Randbereichs der Faltenbalglamelle vorgesehen. Hierdurch können unterschiedliche Faltenbalglamellen bereitgestellt werden, welche durch unterschiedliche Verbindungstechniken zu einem Faltenbalg montiert werden können.
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Weiter bevorzugt ist die zweite Dicke des inneren Randbereichs gleich der dritten Dicke des äußeren Randbereichs. Dies hat den Vorteil, dass zur Herstellung der Faltenbalglamelle ein Ausgangsmaterial mit konstanter Dicke verwendet werden kann und keine Nachbearbeitung des inneren und äußeren Randbereichs notwendig ist.
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Weiter bevorzugt ist der erste und zweite Winkel α, β zwischen dem ringförmigen Federbereich und dem inneren und äußeren Randbereich jeweils ein rechter Winkel und der innere und äußere Randbereich sind als Zylinder ausgebildet. Hierdurch kann ein Faltenbalg besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Faltenbalg, welcher eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Faltenbalglamellen umfasst. Hierbei ist eine exakte Einstellung einer gewünschten Federkraft des Faltenbalgs auf einfache Weise möglich. Hierdurch kann eine hohe Variabilität des Faltenbalgs erreicht werden.
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Besonders bevorzugt ist zwischen den einzelnen Faltenbalglamellen des Faltenbalgs eine kraftschlüssige Verbindung vorgesehen. Hierdurch kann vermieden werden, dass Nachteile durch eine Schweißverbindung einzelner Faltenbalglamellen, wie im Stand der Technik vorhanden, auftreten. Insbesondere kann durch die Schweißvorgänge im Stand der Technik eine gewünschte Federkraft des Faltenbalgs verändert werden, so dass im Betrieb des Faltenbalgs nicht die gewünschten Eigenschaften erreicht werden. Besonders bevorzugt ist zwischen miteinander kraftschlüssig verbundenen Faltenbalglamellen ferner noch eine Dichtmasse vorgesehen. Hierdurch kann eine 100%ige Dichtheit des derart hergestellten Faltenbalgs erreicht werden.
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Weiter bevorzugt umfasst der Faltenbalg genau eine erste und eine zweite Faltenbalglamelle. Vorzugsweise sind hierbei der innere Randbereich und der äußere Randbereich der beiden Faltenbalglamellen als Zylinder ausgebildet. Hierbei sind bevorzugt jeweils die inneren Randbereiche und äußeren Randbereiche der beiden Faltenbalglamellen miteinander verbunden oder alternativ ist ein innerer Randbereich der ersten Faltenbalglamelle mit einem äußeren Randbereich der zweiten Faltenbalglamelle verbunden. Vorzugsweise weisen dabei die inneren und äußeren Randbereiche der Faltenbalglamellen jeweils eine gleiche Länge auf.
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Der Faltenbalg ist vorzugsweise ein Metallfaltenbalg und umfasst wenigstens zwei metallische Faltenbalglamellen. Alternativ ist der Faltenbalg ein Kunststofffaltenbalg und umfasst wenigstens zwei aus Kunststoff hergestellte Faltenbalglamellen. Hierdurch kann ein besonders kostengünstiger Faltenbalg bereitgestellt werden.
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Hinsichtlich der Herstellung des Faltenbalgs sei angemerkt, dass vorzugsweise einzelne Faltenbalglamellen übereinander in einem Stapel angeordnet werden und dann mit einer vorbestimmten Kraft auf Block zusammengedrückt werden, um die kraftschlüssige Verbindung zwischen benachbarten Faltenbalglamellen herzustellen. Wenn zusätzlich noch eine Dichtmasse zwischen den einzelnen Faltenbalglamellen vorgesehen sein soll, kann diese vorher zwischen die einzelnen benachbarten Faltenbalglamellen am inneren und äußeren Randbereich aufgebracht werden. Alternativ kann die Dichtmasse auch nach Herstellung des Faltenbalgs, insbesondere von einer Innenseite des Faltenbalgs, aufgebracht werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Faltenbalglamelle mit einem ringförmigen Federbereich, einem inneren Randbereich und einem äußeren Randbereich. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Bereitstellens eines scheibenförmigen Metallmaterials und eines Abtragens von Metallmaterial an einer ersten und zweiten Seite, um den Federbereich herzustellen. Dadurch kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine einstückige Faltenbalglamelle hergestellt werden, welche den Federbereich sowie einen inneren und äußeren Randbereich aufweist. Insbesondere müssen keinerlei Schweißarbeiten oder dergleichen zur Herstellung der Faltenbalglamelle vorgenommen werden, so dass keine negativen Auswirkungen durch die hohe Temperaturbelastung bei der Herstellung der Faltenbalglamelle auf die Funktion der Faltenbalglamelle gegeben ist. Die Axialrichtung des Metallmaterials ist dabei senkrecht zur scheibenförmigen Oberfläche des Metallmaterials. Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren einen Schritt des Umformens des Metallmaterials derart, dass ein Boden gebildet wird, welcher im Wesentlichen senkrecht zu einer Axialrichtung des Metallmaterials ist, wobei neben dem Boden auch noch der innere und äußere Randbereich erzeugt wird.
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Vorzugsweise erfolgt das Umformen des scheibenförmigen Metallmaterials mittels Tiefziehen. Dadurch kann in einem Schritt der Boden sowie der innere und äußere Randbereich erzeugt werden.
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Weiter bevorzugt erfolgt das Abtragen an der ersten und zweiten Bodenseite zur Herstellung des Federbereichs an beiden Seiten gleichzeitig. Dadurch kann eine besonders kurze Verfahrensdauer erreicht werden. Das Abtragen von Metallmaterial am Federbereich erfolgt vorzugsweise mittels eines spanabhebenden Verfahrens, wie beispielsweise Fräsen oder Drehen.
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Alternativ bevorzugt erfolgt das Abtragen von Metallmaterial am Federbereich mittels eines elektrochemischen Abtrageverfahrens (ECM-Verfahren). Das ECM-Verfahren hat den Vorteil, dass ein kontaktloses Abtragen zwischen einem ECM-Werkzeug und dem Federbereich möglich ist, so dass keine mechanischen Kräfte auf den Federbereich übertragen werden.
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Das ECM-Verfahren wird vorzugsweise mittels eines ersten und zweiten Elektrodenwerkzeugs ausgeführt, wobei der spätere Federbereich des Metallmaterials zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenwerkzeug angeordnet wird. Dadurch kann der Federbereich gleichzeitig von beiden Seiten mittels ECM-Abtragen bearbeitet werden. Das erste und zweite Elektrodenwerkzeug weist dabei besonders bevorzugt eine geometrische Form entsprechend der am Federbereich des Metallmaterials zu erzeugenden geometrischen Form auf. Die geometrische Form des ersten und zweiten Elektrodenwerkzeugs ist dabei besonders bevorzugt gleich, jedoch in Radialrichtung etwas versetzt, um die Federbereichsform in Form einer Welle, insbesondere einer Sinuswelle, herzustellen.
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Ein weiterer großer Vorteil des Abtragens von Metallmaterial am Boden zur Herstellung des Federbereichs liegt darin, dass der Schritt des Abtragens zeitlich in Abhängigkeit einer Dicke des Federbereichs ausgeführt wird und bei Erreichen einer vorbestimmten Dicke beendet wird. Durch die vorbestimmte Dicke des Federbereichs kann dabei eine Federkraft der Faltenbalglamelle definiert werden. Beispielsweise kann bei spanabhebenden Verfahren nach Erreichen einer vorbestimmten Dicke des Federbereichs die Bearbeitung beendet werden. Gleiches kann auch beim ECM-Verfahren durch einfaches Beenden des ECM-Abtragens und Zurückziehen der Elektrodenwerkzeuge erreicht werden. Somit kann eine gewünschte Federkraft der Faltenbalglamelle sehr genau ohne Nacharbeitungen an der Faltenbalglamelle eingestellt werden.
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Weiter bevorzugt wird vor dem Schritt des Umformens in das scheibenförmige Metallmaterial eine mittige Öffnung eingebracht. Dadurch ist das scheibenförmige Metallmaterial vor dem Schritt des Umformens eine Ringscheibe.
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Das scheibenförmige Metallmaterial weist weiter bevorzugt einen kreisförmigen Außenumfang auf.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer Gleitringdichtung mit einem rotierenden und einem stationären Gleitring, welche zwischen den Gleitflächen des rotierenden und stationären Gleitrings einen Dichtspalt definieren. Die Gleitringdichtungsanordnung umfasst dabei eine erfindungsgemäße Faltenbalglamelle und/oder einen erfindungsgemäßen Faltenbalg, besonders bevorzugt mit genau einem ersten und zweiten Faltenbalgelement, welche am stationären Gleitring angeordnet sind.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Antrieb, insbesondere einen Fahrzeugantrieb, umfassend einen Elektromotor und ein Getriebe sowie eine Gleitringdichtungsanordnung mit einem erfindungsgemäßen Faltenbalg, welcher zwischen dem Elektromotor und dem Getriebe angeordnet ist und den Elektromotor vom Getriebe, welches ölgefüllt ist und ölhaltige Dämpfe aufweisen kann, abdichtet.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben.
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In der der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Faltenbalglamelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Schnittansicht einer Faltenbalglamelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Schnittansicht eines Faltenbalgs, hergestellt aus einer Vielzahl von Faltenbalglamellen,
- 4 eine schematische Schnittansicht einer Faltenbalglamelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische Schnittansicht der Faltenbalglamelle von 4 während des Herstellungsverfahrens,
- 6 eine weitere schematische Schnittansicht der Faltenbalglamelle von 4 während des Herstellungsverfahrens,
- 7 eine schematische Schnittansicht eines Faltenbalgs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 8 eine schematische Schnittansicht des Faltenbalgs von 7 während der Herstellung, und
- 9 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung mit einem Faltenbalg gemäß den 7 und 8 bei Verwendung in einer elektrischen Maschine.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Faltenbalglamelle 71 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Faltenbalglamelle 71 einen ringförmigen Federbereich 73, einen inneren Randbereich 74 und einen äußeren Randbereich 75. Die Faltenbalglamelle ist ein einstückiges Bauteil und in diesem Ausführungsbeispiel aus Metall hergestellt. Zwischen dem Federbereich 73 und dem inneren Randbereich 74 ist ein erster Übergangsbereich 81 vorgesehen, welcher im Schnitt eine Bogenform aufweist. In gleicher Weise ist zwischen dem Federbereich 73 und dem äußeren Randbereich 75 ein zweiter Übergangsbereich 82 angeordnet. Durch die bogenförmige Gestalt der Übergangsbereiche 81, 82 wird im Betrieb der Faltenbalglamelle, d.h., bei einem Einfederungs- und/oder Ausfederungsvorgang, eine Beschädigung der Faltenbalglamelle an diesem Übergangsbereich zwischen Federbereich und Randbereichen vermieden. Der bogenförmige Übergangsbereich 81, 82 ist dabei an beiden Stirnseiten der Faltenbalglamelle 71 ausgebildet.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, liegt der Federbereich 73 in einer Ebene E. Die Ebene E ist senkrecht zu einer Mittelachse (Axialrichtung) X-X der Faltenbalglamelle 71.
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Ferner weist der ringförmige Federbereich 73 eine erste Dicke D1 auf und der innere Randbereich 74 weist eine zweite Dicke D2 auf und der äußere Randbereich 75 weist eine dritte D3 auf. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die erste Dicke D1 des Federbereichs 73 kleiner als die zweite Dicke D2 und die dritte Dicke D3. Dabei weisen die zweite Dicke D2 und die dritte Dicke D3 eine gleiche Dicke auf.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, sind der innere Randbereich 74 und der äußere Randbereich 75 zum Federbereich 73 in einem spitzen Winkel zu der Ebene E angeordnet, in welcher der Federbereich 73 liegt. Ein erster spitzer Winkel α ist hierbei zwischen der Ebene E und den inneren Randbereich 74 gebildet. Ein zweiter spitzer Winkel β ist zwischen der Ebene E und dem äußeren Randbereich 75 gebildet. Der erste Winkel α ist hierbei gleich dem zweiten Winkel β und beträgt ca. 30°. Hierdurch ergeben sich kegelförmige innere und äußere Randbereiche 74, 75. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Richtung, in welche die inneren und äußeren Randbereiche 74, 75 gegenüber dem Federbereich 73 im Winkel angeordnet sind, gegenläufig, so dass eine Ausrichtung der einen Konus bildenden Randbereiche gleich ist.
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Die Faltenbalglamelle 71 kann aus einem Metallmaterial, insbesondere Federstahl, hergestellt sein. Hierbei kann der Federbereich 73 auf kostengünstige Weise mittels eines ECM-Verfahrens hergestellt werden. Hierbei wird der ringförmige Federbereich zwischen zwei ECM-Werkzeugen angeordnet und die elektrochemische Abtragung solange fortgeführt, bis die gewünschte erste Dicke D1 des Federbereichs 73 erreicht ist. Gleichzeitig wird hierdurch auch die Wellenform des Federbereichs 73 erzeugt. Hierbei kann vor dem Schritt der Herstellung des Federbereichs der innere und äußere Randbereich vorab relativ zum Federbereich abgewinkelt werden oder nach Herstellung des ringförmigen Federbereichs abgewinkelt werden.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ergibt sich durch die gegenläufige Abwinkelung des inneren und äußeren Randbereichs 74, 75, das zwischen dem inneren Randbereich 74 und dem äußeren Randbereich 75 in Radialrichtung keine Überdeckung vorliegt.
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Zur Herstellung eines Faltenbalgs können nun eine Vielzahl von Faltenbalglamellen übereinandergestapelt werden und am inneren Randbereich 74 und am äußeren Randbereich 75 auf Block gedrückt werden, so dass eine kraftschlüssige Verbindung zwischen benachbarten inneren Randbereichen und benachbarten äußeren Randbereichen auftritt. Gegebenenfalls kann hierbei auch eine Dichtmasse zwischen benachbarten, jeweils zu verbindenden inneren und äußeren Randbereichen vorgesehen werden.
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2 zeigt eine Faltenbalglamelle 72 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Faltenbalglamelle 72 des zweiten Ausführungsbeispiels weist wie die im ersten Ausführungsbeispiel gezeigte Faltenbalglamelle einen ringförmigen Federbereich 76, einen inneren Randbereich 77 und einen äußeren Randbereich 78 auf. Der Federbereich 76 ist wieder senkrecht zu einer Mittelachse (Axialrichtung) X-X der Faltenbalglamelle angeordnet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel ein dritter Winkel γ zwischen dem inneren Randbereich 77 und dem in einer Ebene E liegenden Federbereich 76 vorgesehen. Weiterhin ist ein vierter Winkel δ zwischen der Ebene E und dem äußeren Randbereich 78 vorgesehen. Hierbei sind der dritte und vierte Winkel γ und δ gleich groß und betragen ca. 45°. Durch diese Anordnung kann ein Faltenbalg mit in Axialrichtung größeren Abständen zwischen den Federbereichen 76 hergestellt werden. Weiterhin ist eine erste Dicke D1 des Federbereichs 76 kleiner als eine zweite Dicke D2 des inneren Randbereichs und eine dritte Dicke D3 des äußeren Randbereichs 78.
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3 zeigt ein Beispiel eines Faltenbalgs 7, welcher aus einer Vielzahl von Faltenbalglamellen hergestellt ist. Hierbei werden zwei unterschiedliche Arten von Faltenbalglamellen verwendet, nämlich die in 1 gezeigten ersten Faltenbalglamellen 71 und die in 2 gezeigten zweiten Faltenbalglamellen 72. Hierbei sind die ersten und zweiten Faltenbalglamellen 71, 72 jeweils abwechselnd angeordnet. Da die Winkel zwischen der Ebene E und dem inneren und äußeren Randbereich der beiden Faltenbalglamellen 71, 72 unterschiedlich ist, kann durch die abwechselnde Anordnung eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den jeweils benachbarten inneren Randbereichen und äußeren Randbereichen erhalten werden. Dies kann durch einfaches abwechselndes Anordnen der ersten und zweiten Faltenbalglamellen 71, 72 als Stapel und anschließenden Pressen der Faltenbalglamellen 71, 72 auf Block erhalten werden. Hierdurch ist eine Faltenbalglamelle jeweils am inneren Randbereich mit dem inneren Randbereich der benachbarten Faltenbalglamelle kraftschlüssig verbunden und der jeweilige äußerte Randbereich ist mit dem benachbarten äußeren Randbereich der nächsten Faltenbalglamelle verbunden, wie in 3 dargestellt. Gegebenenfalls kann zur Erhöhung der Abdichtungssicherheit noch ein Dichtmittel an den innersten und äußersten Bereichen der Faltenbalglamelle vorgesehen werden, um eine 100%ige Abdichtung der kraftschlüssig miteinander verbundenen Randbereiche zu erreichen. Somit kann ein besonders kostengünstiger und im Wesentlichen zylindrische Grundform aufweisender Faltenbalg hergestellt werden. Je nach Einsatzzweck kann der Faltenbalg 7 aus einem Metallmaterial hergestellt werden oder alternativ auch aus einem Kunststoffmaterial.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 eine Faltenbalglamelle 71 gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, umfasst die Faltenbalglamelle 71 einen Federbereich 73, einen inneren Randbereich 74 und einen äußeren Randbereich 75.
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Der Federbereich 73 ist dabei wellenförmig ausgebildet und liegt in einer Ebene E, welche senkrecht zu einer Mittelachse (Axialrichtung) X-X der Faltenbalglamelle 71 ist.
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Der Federbereich 73, der innere Randbereich 74 und der äußere Randbereich 75 sind dabei einstückig ausgebildet.
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Der innere Randbereich 74 und der äußere Randbereich 75 sind jeweils als Zylinder vorgesehen, wobei der innere Randbereich 74 innerhalb des äußeren Randbereichs 75 angeordnet ist und von diesem in Radialrichtung überdeckt wird. Die Zylinder sind konzentrisch zur Mittelachse (Axialrichtung) X-X ausgerichtet.
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Die in 4 gezeigte Faltenbalglamelle 71 weist somit eine Ringform auf, wobei ein Boden als Federbereich 73 ausgebildet ist. Der innere und äußere Randbereich 74, 75 bilden innere und äußere Begrenzungen des Federbereichs 73. Die Faltenbalglamelle 71 kann dabei am inneren und äußeren Randbereich 74, 75 an benachbarten Bauteilen, welche nicht dargestellt sind, fixiert werden. Eine Fixierung wird vorzugsweise mittels kraftschlüssiger Verbindung erreicht.
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Die Faltenbalglamelle 71 weist am Federbereich 73 eine Dicke D1 auf, welche über den gesamten Federbereich 73 konstant ist. Die Dicke D1 des Federbereichs 73 bestimmt dabei die Federeigenschaften der Faltenbalglamelle 71. Je größer die Dicke D1 ist, umso steifer wird die Faltenbalglamelle.
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Ein Verfahren zur Herstellung der Faltenbalglamelle 71ist in den 5 und 6 gezeigt. In einem ersten Schritt wird ein scheibenförmiges Metallmaterial, vorzugsweise aus Federstahl, bereitgestellt. Das scheibenförmige Metallmaterial weist einen kreisförmigen Außenumfang auf und eine mittige Öffnung 79. Somit ist das scheibenförmige Metallmaterial eine Ringscheibe mit mittiger Öffnung 79. Diese Ringscheibe wird in einem nächsten Schritt durch Umformen derart umgeformt, dass ein Boden 73', welcher senkrecht zur Mittelachse (Axialrichtung) X-X der Ringscheibe ist, sowie ein innerer und äußerer Randbereich 74, 75 erzeugt wird. Das Umformen kann beispielsweise, wie in 5 gezeigt, durch Tiefziehen erfolgen. Schematisch sind in 5 hierbei die Pfeile F eingezeichnet, welche die Kraftwirkung des Tiefziehens darstellen. Der Boden 73' ist dabei in einer Ebene E angeordnet, welche senkrecht zur Mittelachse X-X ist.
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In einem nächsten Schritt wird der Boden 73' derart bearbeitet, dass der Federbereich 73 daraus hergestellt wird. Dies wird in diesem Ausführungsbeispiel mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) ausgeführt (vgl. 6). Hierbei wird Metallmaterial vom Boden 73' an einer ersten und zweiten Bodenseite abgetragen, um den Federbereich 73 herzustellen. Der Boden 73' wird dabei gleichzeitig von beiden Bodenseiten her mit einem ersten Elektrodenwerkzeug 51 und einem zweiten Elektrodenwerkzeug 52 bearbeitet. Die beiden Elektrodenwerkzeuge 51, 52 weisen dabei an ihrer zum Boden 73' gerichteten Seite jeweils eine wellige Oberfläche auf, welche der späteren geometrischen Form des Federbereichs 73 entspricht. Somit kann der Federbereich 73 durch elektrochemisches Abtragen hergestellt werden.
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Dabei ist ein besonderer Vorteil des elektrochemischen Abtragens der, dass sehr genau eine erste Dicke D1 des Federbereichs berührungslos hergestellt werden kann. Die erste Dicke D1 des Federbereichs 73 ist dabei über dem gesamten Bodenbereich konstant. Somit kann eine Federkraft der herzustellenden Faltenbalglamelle 71 eingestellt werden. Die Einstellung der Dicke kann sehr einfach durch eine zeitliche Begrenzung des elektrochemischen Abtragens bzw. der Zustellung der Elektrodenwerkzeuge 51, 52 erreicht werden.
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Somit kann eine einstückige Faltenbalglamelle 71 hergestellt werden, wobei durch das elektrochemische Abtragen, welches berührungslos erfolgt, keine mechanischen Spannungen in die Faltenbalglamelle 71 eingebracht werden. Insbesondere kann auch ein bogenförmiger Übergangsbereich 81, 82 zwischen dem Federbereich 73 und dem inneren und äußeren Randbereich 74, 75 ohne Spannungen hergestellt werden, da in diesem Übergangsbereich keine Schweißnähte oder dergleichen vorgesehen sind. Insgesamt ist dabei ferner die Herstellung einer Faltenbalglamelle 71 mittels der gezeigten Verfahrensschritte besonders einfach und kostengünstig realisierbar.
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In den 7 bis 9 ist ein Faltenbalg 7 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. 9 zeigt eine Gleitringdichtungsanordnung 1, welche Faltenbalglamellen gemäß 4 aufweist.
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Wie aus 9 ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 eine Gleitringdichtung 100 mit einem rotierenden Gleitring 2 und einem stationären Gleitring 3, welche zwischen sich einen Dichtspalt 4 definieren.
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Der rotierende Gleitring 2 weist eine erste Gleitfläche 23 auf und der stationäre Gleitring 3 weist eine zweite Gleitfläche 32 auf.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 100 dichtet dabei eine Motorseite 9, an welchem ein elektrischer Antrieb 40 angeordnet ist, von einer Getriebeseite 10 ab, an welcher ein Getriebe 41 angeordnet ist. Der elektrische Antrieb 40 ist vorzugsweise ein Antrieb eines Fahrzeugs, wobei zur Wirkungsgradsteigerung des elektrischen Antriebs das Getriebe 41 vorgesehen ist.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 1 dichtet an einem rotierenden Bauteil 5, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Welle ist, ab. Das rotierende Bauteil 5 verbindet den elektrischen Antrieb 40 mit dem Getriebe 41.
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Wie im Detail aus 9 ersichtlich ist, weist der rotierende Gleitring 2 einen Fußbereich 20, einen Gleitbereich 21 und eine Entkoppeleinrichtung 22 auf. Die Entkoppeleinrichtung 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Verengung. Die Verengung ist dabei in Radialrichtung des rotierenden Gleitrings zwischen dem Fußbereich 20 und dem Gleitbereich 21 angeordnet.
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Die Entkoppeleinrichtung 22 weist dabei eine Breite B1 in Axialrichtung X-X auf, welche ca. 20 % einer Breite B des Gleitbereichs 21 des rotierenden Gleitrings beträgt.
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Der rotierende Gleitring 2 ist ein einstückiges Bauteil, wobei die Entkoppeleinrichtung 22 beispielsweise durch einen Fräsvorgang oder dergleichen erzeugt werden kann.
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Der rotierende Gleitring 2 ist am Fußbereich 20 mittels einer ersten Kraftschlussverbindung 8 am rotierenden Bauteil 5 fixiert. Durch die Verwendung der Kraftschlussverbindung 8 zwischen rotierendem Gleitring 2 und rotierendem Bauteil 5 kann auf das Vorsehen einer Nebendichtung am rotierenden Gleitring 2 verzichtet werden. Hierdurch können neben den Kosten für die Nebendichtung, wie z. B. ein O-Ring oder dergleichen, zusätzlich auch noch die Kosten für die Herstellung einer Nut, in welcher die Nebendichtung angeordnet ist, eingespart werden. Hierbei ist am Fußbereich 20 eine Fixierfläche 24 ausgebildet, welche für die Kraftschlussverbindung eingerichtet ist und in diesem Ausführungsbeispiel eine Innenzylinderfläche ist.
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Weiterhin umfasst die Gleitringdichtung 100 den stationären Gleitring 3, welcher, wie aus 9 ersichtlich ist, im Querschnitt eine L-Form aufweist. Dabei weist der stationäre Gleitring einen Radialbereich 30 und einen Axialbereich 31 auf. Der stationäre Gleitring 3 ist dabei ein einstückiges Bauteil und vorzugsweise ein Tiefziehbauteil.
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Somit weist der stationäre Gleitring 3 als Axialbereich 31 einen in einer Mittelachse (Axialrichtung) X-X gerichteten, ringförmigen Kragen auf, an welchem ein Metallfaltenbalg 7 angeordnet ist.
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Der Faltenbalg 7 ist im Detail in 7 dargestellt und umfasst eine erste Faltenbalglamelle 71 und eine zweite Faltenbalglamelle 72. Die beiden Faltenbalglamellen 71, 72 sind miteinander verbunden und stellen eine Verbindung des stationären Gleitrings 3 mit einem Gehäuse 6 bereit.
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Wie aus 8 ersichtlich ist, umfasst der Faltenbalg 7 des zweiten Ausführungsbeispiels zwei Faltenbalglamellen 71, 72, welche gleich aufgebaut sind. Dabei wird eine der Faltenbalglamellen wie bei einem Dose-Deckel-Prinzip über den anderen gestülpt. Dadurch ergibt sich der wie in 7 gezeigte Faltenbalg 7.
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Die Herstellung der beiden Faltenbalglamellen 71, 72 kann dabei wie in den 4 bis 6 beschrieben sein. Die beiden Faltenbalglamellen 71, 72 können dabei identisch hergestellt werden und durch Aufweitung der zweiten Faltenbalglamelle 72 kann diese über die erste Faltenbalglamelle 71 übergestülpt werden. Hierdurch kann insbesondere eine schweißnahtfreie Verbindung zwischen den beiden Faltenbalglamellen 71, 72 erreicht werden.
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Wie im Detail aus 7 ersichtlich ist, weist die erste Faltenbalglamelle 71 einen ersten Federbereich 73, einen ersten inneren Randbereich 74 und einen ersten äußeren Randbereich 75 auf. Die zweite Faltenbalglamelle 72 weist einen zweiten Federbereich 76, einen zweiten inneren Randbereich 77 und einen zweiten äußeren Randbereich 78 auf.
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Die erste Faltenbalglamelle 71 und die zweite Faltenbalglamelle 72 sind dabei in gleicher Weise als ringförmige Elemente aufgebaut, deren radiale Ränder durch die Randbereiche begrenzt sind und deren Boden durch die Federbereiche 73, 76 gebildet wird.
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Wie weiter aus den 8 und 9 ersichtlich ist, ist im montierten Zustand des Faltenbalgs 7 die erste Faltenbalglamelle 71 in die zweite Faltenbalglamelle 72 eingebracht. Hierbei ergibt sich zwischen dem ersten inneren Randbereich 74 und dem zweiten inneren Randbereich 77 ein erster Verbindungsbereich 12. Zwischen dem ersten äußeren Randbereich 75 und dem zweiten äußeren Randbereich 78 ergibt sich ein zweiter Verbindungsbereich 13. Sowohl der erste als auch der zweite Verbindungsbereich 12, 13 sind vorzugsweise als Kraftschlussverbindung ausgebildet.
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Im montierten Zustand des Faltenbalgs 7 in der Gleitringdichtungsanordnung 1 ergibt sich ferner zwischen dem zweiten inneren Randbereich 77 und dem stationären Gleitring 3 am Axialbereich 31 ein dritter Verbindungsbereich 14 und zwischen dem zweiten äußeren Randbereich 78 und dem Gehäuse 6 ein vierter Verbindungsbereich 15. Hierbei sind der dritte und vierte Verbindungsbereich 14, 15 ebenfalls als Kraftschlussverbindung ausgebildet.
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Somit muss ebenfalls kein Nebendichtelement am stationären Gleitring 3 vorgesehen sein, sodass die gesamte Gleitringdichtungsanordnung nebendichtungsfrei bereitgestellt werden kann.
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Somit kann eine besonders einfach aufgebaute Gleitringdichtungsanordnung 1 bereitgestellt werden, bei der eine schnelle und einfache Montage durch kraftschlüssige Pressverbindungen möglich ist. Dabei muss kein einziges Nebendichtungselement, wie z. B. O-Ringe oder dergleichen, verwendet werden. Weiterhin kann die Gleitringdichtungsanordnung sehr robust aufgebaut sein. Darüber hinaus ist eine Herstellung der Bauteile der Gleitringdichtungsanordnung besonders einfach und kostengünstig. Beispielsweise kann der stationäre Gleitring 3 durch Tiefziehen hergestellt werden und der rotierende Gleitring 2 durch ein spanabhebendes Verfahren, beispielsweise Fräsen oder dergleichen, hergestellt werden.
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Durch das Anordnen des stationären Gleitrings 3 mittels des Faltenbalgs 7 am Gehäuse 6 wird ferner eine Beweglichkeit des stationären Gleitrings 3 sowohl in Radialrichtung als auch in einer Axialrichtung X-X ermöglicht, da die Federbereiche 73, 76 die Flexibilität in beide Richtungen herstellen.
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Im Betrieb dichtet nun die Gleitringdichtungsanordnung 1 zwischen dem elektrischen Antrieb 40 und dem Getriebe 41 ab. Dabei ist ein Gasstrom, wie in 9 durch die Pfeile A angedeutet, ausgehend von der Motorseite 9 über den Dichtspalt 4 zur Getriebeseite 10 ausgebildet. Dadurch wird verhindert, dass ölhaltiges Medium von der Getriebeseite 10 zur Motorseite 9 gelangt und dabei Schäden am elektrischen Antrieb 40 hervorrufen kann.
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Der Faltenbalg 7 kann ferner aus zwei gleich aufgebauten Bauteilen, nämlich den ersten und zweiten Faltenbalglamellen 71, 72, hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten weiter gesenkt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleitringdichtungsanordnung
- 2
- Rotierender Gleitring
- 3
- Stationärer Gleitring
- 4
- Dichtspalt
- 5
- Rotierendes Bauteil/Welle
- 6
- Gehäuse
- 7
- Faltenbalg
- 8
- Erste Kraftschlussverbindung
- 9
- Motorseite
- 10
- Getriebeseite
- 12
- Erster Verbindungsbereich
- 13
- Zweiter Verbindungsbereich
- 14
- Dritter Verbindungsbereich
- 15
- Vierter Verbindungsbereich
- 20
- Fußbereich
- 21
- Gleitbereich
- 22
- Entkoppeleinrichtung/Verengung
- 23
- Erste Gleitfläche
- 24
- Fixierfläche
- 30
- Radialbereich
- 31
- Axialbereich
- 32
- Zweite Gleitfläche
- 40
- Elektrischer Antrieb
- 41
- Getriebe
- 51
- erstes Elektrodenwerkzeug
- 52
- zweites Elektrodenwerkzeug
- 71
- erste Faltenbalglamelle
- 72
- zweite Faltenbalglamelle
- 73
- erster Federbereich
- 73'
- Boden
- 74
- erster innerer Randbereich
- 75
- erster äußerer Randbereich
- 76
- zweiter Federbereich
- 77
- zweiter innerer Randbereich
- 78
- zweiter äußerer Randbereich
- 79
- mittige Öffnung
- 81
- erster Übergangsbereich
- 82
- zweiter Übergangsbereich
- 100
- Gleitringdichtung
- A
- Gasleckage über Dichtspalt
- B
- Breite des Gleitbereichs des rotierenden Gleitrings
- B1
- Breite der Entkoppeleinrichtung
- D1-D3
- Dicken der Randbereiche
- F
- Umformkraft
- X-X
- Mittelachse / Axialrichtung
- α
- erster Winkel
- β
- zweiter Winkel
- γ
- dritter Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016200821 B3 [0002]
