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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen von Rollbälgen
aus einem spritzfähigen
Elastomer. Rollbälge
dieser Art werden vorwiegend zum Abdichten zweier gegeneinander
abwinkelbarer und dabei insbesondere rotierender Teile verwendet.
Ein typischer Anwendungsfall ist hierbei das Abdichten von Gleichlaufdrehgelenken.
Hierbei wird ein Zylinderabschnitt kleineren Durchmessers auf eine
mit einem ersten Gelenkbauteil verbundenen Welle und ein Ringwulst
größeren Durchmessers
unmittelbar oder über
ein Zwischenelement mit einem zweiten Gelenkbauteil verbunden. Zwischen
dem erstgenannten Zylinderabschnitt und dem Ringwulst größeren Durchmessers
erstreckt sich eine in der Regel halbtorusförmige Rollwand. Bei einer Abwinkelbewegung
der beiden genannten Gelenkbauteile gegeneinander verkleinert sich
der Rollwandkrümmungsradius
auf der Winkelinnenseite und vergrößert sich der Rollwandkrümmungsradius
auf der Winkelaußenseite.
Bei abgewinkelt umlaufendem Gelenk läuft entsprechend diese Krümmungsänderung
in der Rollbalgwandung über
dem Umfang um, so daß jeder Punkt
der Rollwand während
einer vollständigen 360° Umdrehung
ein Krümmungsmaximum
und ein Krümmungsminimum
durchläuft.
Dies bedingt eine starke innere Walkarbeit, die zur Temperaturerhöhung im
Rollbalg und zu Schäden
führen
kann.
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Rollbälge bekannter Art haben bereits
herstellungsbedingt in ihrer Ausgangsform im Bereich der Rollwand
positive Zugspannungen, so daß beim Umlaufen
des Rollbalges in abgewinkelter Position diese Spannungen periodisch
um den Ausgangswert schwanken, d. h. insbesondere auch periodisch über den
Ausgangswert deutlich erhöht
werden. Dies führt zu
engen Belastungsgrenzen des Rollbalges bezüglich der zulässigen Winkel
und/oder der zulässigen Drehzahlen.
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Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Rollbälgen bereitzustellen,
das zu höher
belastbaren Rollbälgen
führt.
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Eine erste Lösung besteht in einem Verfahren
zum Herstellen eines Rollbalges aus einem spritzfähigen Elastomer
mit den Schritten:
Spritzen eines Grundkörpers bestehend aus einem Zylinderabschnitt
und einem Erweiterungsabschnitt,
Wenden des Grundkörpers, so
daß die
Außenseite nach
innen und die Innenseite nach außen zu liegen kommt,
Umstülpen des
Erweiterungsabschnittes nach außen,
so daß er
teilweise außerhalb
des Zylinderabschnitts zu liegen kommt und eine Rollwand bildet.
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Hiermit entsteht ein Rollbalg der
eingangs genannten Art mit einem Zylinderabschnitt zur Befestigung
auf einer Welle und einer halbtorusförmig gekrümmten Rollwand, an deren freien
Ende ein Wulst zur Befestigung an einem zweiten Bauteil ausgebildet
sein kann. Der hiernach fertiggestellte Rollbalg ist im Ausgangszustand
in der kritischen Zone der Rollfalte wesentlich spannungsärmer als
Rollbälge
gleicher Form nach dem Stand der Technik. Als kritische Zone der
Rollfalte gilt hierbei die Apexlinie der halbtorusförmig gekrümmten Rollwand.
Das Verfahrensprodukt des angegebenen Verfahrens hat damit zwar die
gleiche Gestalt wie Rollbälge
gemäß dem Stand der
Technik, unterscheidet sich von diesen jedoch durch seine inneren
Spannungszustände.
Die Erfindung schließt
damit das Verfahrenserzeugnis selber unmittelbar ein. Auf die Definition
des Erzeugnisses über
seine inneren Spannungszustände
wird hierbei verzichtet (product by process).
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Eine zweite erfindungsgemäß Lösung besteht
in einem Verfahren zum Herstellen eines Rollbalges aus einem spritzfähigen Elastomer
mit den Schritten:
Spritzen eines Grundkörpers bestehend aus einem Zylinderabschnitt
und zwei beidseitig an diesen anschließenden Erweiterungsabschnitten,
Wenden
des Grundkörpers,
so daß die
Außenseite nach
innen und die Innenseite nach außen zu liegen kommt,
Umstülpen der
Erweiterungsabschnitte nach außen, so
daß sie
teilweise außerhalb
des Zylinderabschnittes zu liegen kommen und Rollwände bilden.
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Nach diesem Verfahren entsteht ein
oben noch nicht beschriebener Typ eines Rollbalges, der einen zylindrischen
Zwischenabschnitt und zwei halbtorusförmige Rollwände mit Befestigungswulsten an
ihren freien äußeren Enden
umfaßt,
die jeweils mit zwei verschiedenen gegeneinander abwinkelbaren und/oder
gegeneinander axial verschiebbaren Rotationsteilen verbunden werden
können.
Aufgrund der zweifachen Ausführung
der Rollwand sind Rollbälge dieser
Art für
erhöhte
Axialverschiebewege und erhöhte
Beugewinkel geeignet. Die bereits zuvor genannten Änderungen
der Rollwandkrümmungsdurchmesser
und damit die periodischen Änderungen
der Spannungszustände
in der Rollwand treten hierbei ebenfalls an beiden Rollwänden ein.
Die Belastung ist jedoch wegen der Aufteilung auf zwei Rollwände bei
vorgegebenem Winkel und vorgegebener Drehzahl geringer bzw. es sind
mit einem Rollbalg dieser Art gegebenenfalls höhere Winkelbewegungen aufzunehmen.
Auch hier wird neben dem Verfahren zur Herstellung des Rollbalges
zugleich das Erzeugnis selber bezüglich seiner Spannungszustände neu
gestaltet, d. h. bei unveränderter äußerer Form weist
das Erzeugnis eine veränderte
innere Spannungsstruktur auf. Auf die unmittelbare Definition dieser
Spannungsstruktur wird jedoch verzichtet. Vielmehr wird das Erzeugnis über das
Herstellungsverfahren definiert (product by process).
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Nach einer günstigen Ausgestaltungsform
ist vorgesehen, daß der
oder die Erweiterungsabschnitte mit etwa konischer Grundform gespritzt
werden, weiterhin daß die
Erweiterungsabschnitte mit vom Zylinderabschnitt zum freien Ende
hin abnehmender Wandstärke
gespritzt werden. Die genannten Verläufe der Erweiterungsabschnitte
erleichtern die Herstellung und sind günstig im Hinblick auf eine
im wesentlichen überall
gleichmäßige Belastung.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß der Zylinderabschnitt mit einer
innenliegenden Ringnut am freien Ende für ein Spannband gespritzt wird
und daß der
oder die Erweiterungsabschnitte mit innenliegenden Ringwulsten am
freien Ende gespritzt werden. Die Ringnut gelangt durch das Wenden
nach außen.
Die Ringwulste gelangen zunächst
durch das Wenden von innen nach außen und durch das anschließende Umstülpen wieder
nach innen zum Zylinderabschnitt hin weisend.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind im Vergleich
zum Stand der Technik in den Zeichnungen dargestellt, die nachstehend
beschrieben werden.
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1 zeigt
einen Rollbalg nach dem Stand der Technik
- a)
nach dem Spritzen im Längsschnitt,
- b) nach dem Umstülpen
zur gebrauchsfertigen Form im Längshalbschnitt;
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2 zeigt
einen Faltenbalg gemäß der Erfindung
in einer ersten Ausführung
- a) nach dem Spritzen im Längsschnitt,
- b) nach dem erfindungsgemäßen Wenden
im Halbschnitt,
- c) nach dem Umstülpen
zur gebrauchsfertigen Form im Halbschnitt;
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3 zeigt
einen Faltenbalg gemäß der Erfindung
in einer zweiten Ausführung
- a) nach dem Spritzen im Längsschnitt,
- b) nach dem erfindungsgemäßen Wenden
im Halbschnitt,
- c) nach dem Umstülpen
zur gebrauchsfertigen Form im Halbschnitt.
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In allen Figuren sind Spannungszustände in der
Wand des Rollbalgs als Balkenwerte gegenüber einer Nullinie eingezeichnet,
wobei Zugspannungen mit positiven Werten und Druckspannungen mit
negativen Werten angegeben sind. Die Richtung der positiven Werte
ist jeweils durch einen senkrecht zur Nullinie eingezeichneten Pfeil
angegeben, die Richtung der negativen Werte weist entgegengesetzt
zu diesem Pfeil.
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In 1 ist
in der Darstellung a) ein Rollbalg 11 nach dem Stand der
Technik im Längsschnitt
dargestellt, der aus einem spritzfähigen Elastomer zunächst in
einer Form gespritzt wird, die einen Zylinderabschnitt 12 und
einen sich konisch erwei ternden Erweiterungsabschnitt 13 umfaßt. In dieser
Form ist der Körper
spannungsfrei. Der Zylinderabschnitt 12 dient später zum
Festlegen des Rollbalges auf einer Welle und umfaßt eine
außenliegende
Ringnut 14, in die ein Spannband zum Befestigen eingreifen
kann. Der Erweiterungsabschnitt 13 umfaßt am freien Ende einen Wulst 15,
der von einer Bördelung
einer Befestigungshülse
erfaßt
werden kann, die mit einem gegenüber
der genannten Welle winkelbeweglichen Teil verbunden werden kann.
Im Bereich des Zylinderabschnittes 12 ist die Wandstärke des
Grundkörpers
im wesentlichen konstant. Der Erweiterungsabschnitt hat eine vom
Zylinderabschnitt zum freien Ende abnehmende Wandstärke.
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In der Darstellung b) ist der Rollbalg
nach dem Stand der Technik in gebrauchsfähiger Konfiguration gezeigt,
wobei der Erweiterungsabschnitt auf den unveränderten Zylinderabschnitt 12 umgestülpt ist
und nunmehr einen halbtorusförmigen
Rollwandabschnitt 13' bildet. Während die Ringnut 14 weiterhin
außen
am Zylinderabschnitt liegt, weist der Wulst 15 nunmehr
nach radial innen. Aufgrund der Materialansammlung des Ringwulstes
behält
dieser im wesentlichen seinen ursprünglichen Durchmesser bei, während in
der formveränderten
Balgwandung des Rollwandabschnitts 13' sich Spannungszustände einstellen,
die mit Spannungsprofilen in einigen ausgewählten Querschnitten verdeutlicht
sind. Im Bereich des unveränderten
Zylinderabschnitts ist die Spannung σ1 gleich
Null, d. h. die Wandung ist spannungsfrei. Im Scheitelpunkt/Apex
des Rollwandbereiches 13' ist die Spannung σ2 maximal.
In Nähe
des Wulstes 15 ist die Spannung σ3 wieder
geringer, jedoch ebenfalls deutlich von Null verschieden. Auf der Krümmungsinnenseite
herrscht jeweils eine Druckspannung, auf der Außenseite etwa gleich große Zugspannung.
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In 2 ist
in der Darstellung a) ein erfindungsgemäßer Rollbalg 21 in
fertig gespritzter Form gezeigt, der einen Zylinderabschnitt 22 und
einen Erweiterungsabschnitt 23 von konischer Form umfaßt. In dieser
Form ist der Körper
spannungsfrei. Der Zylinderabschnitt dient grundsätzlich zum
Festlegen auf einer Welle, während
der Erweiterungsabschnitt später
zu einem Rollwandabschnitt umgeformt wird. Am Zylinderabschnitt
ist innen eine Ringnut 24 erkennbar, die später der
Aufnahme eines Spannbandes dient. Am Erweiterungsabschnitt 23 ist
ein nach innen weisender Ringwulst 25 ausgebildet, der
später von
einer Umbördelung
einer Befestigungshülse
aufgenommen wird.
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In der Darstellung b) ist im Halbschnitt
der erfindungsgemäße Rollbalg
nach einem Wendevorgang dargestellt, bei dem die vorherige Außenseite nach
innen und die vorherige Innenseite nach außen gelangt sind. Die Ringnut 24 des
Zylinderabschnitts 22 liegt nun bestimmungsgemäß außen. Ebenso weist
der Wulst 25 am Erweiterungsabschnitt 23 nach
außen.
Der Erweiterungsabschnitt hat rein konische Form. Aufgrund der angegebenen
Formänderung
haben sich bereits Spannungen in der Balgwandung eingestellt. Hierbei
ist eine Spannung σ1, im Bereich des Zylinderabschnitts ebenso
von Null verschieden wie Spannungen σ2', σ3',
im Bereich des Erweiterungsabschnittes. Jeweils auf der Außenseite des
Körpers
liegen Zugspannungen und auf der Innenseite des Körpers Druckspannungen
vor. Da der Zylinderabschnitt anschließend im Gebrauch keinen zusätzlichen
Verformungen unterworfen wird, ist die vorliegende Spannung σ1' als
unkritisch anzusehen.
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In der Darstellung c) ist wiederum
im Halbschnitt gezeigt der Zylinderabschnitt 22 unverändert, während der
Erweiterungsabschnitt nunmehr als Rollwandabschnitt 23' nach
außen
in Richtung zum Zylinderabschnitt umgestülpt ist. Der Wulst 25 ist dabei
nach radial innen weisend zu liegen gekommen. Auch hierbei gilt,
daß aufgrund
der Materialansammlung der Wulst 25 im wesentlichen den
gleichen Durchmesser beibehalten hat wie zuvor in b), während die
Rollwand 23' örtlich
verschiedenen Formänderungen
ausgesetzt ist. Hieraus ergeben sich veränderte Spannungen. Der bleibende
Spannungszustand σ1 im Bereich des Zylinderabschnittes ist
unverändert
von Null verschieden, aber unkritisch wie erwähnt. Weitere bleibende Spannungen σ2 im
Bereich des Scheitelpunktes der Rollwand 23' und σ3 nahe
dem Wulst 25 sind dagegen durch den Umstülpvorgang
zu Null geworden bzw. sehr gering im Vergleich zum entsprechenden
Spannungszustand gemäß dem Stand
der Technik nach 1.
Die zusätzlichen
Belastungen in der Rollwand bei den Bewegungen des Rollbalgs im
eingebauten Zustand, d. h. insbesondere in gebeugter Stellung umlaufend,
sind hierdurch unkritisch geworden.
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In 3 ist
in der Darstellung a) ein erfindungsgemäßer Rollbalg 31 gezeigt,
der einen Zylinderabschnitt 32 und zwei Erweiterungsabschnitte 33, 43 von
jeweils konischer Form umfaßt.
In dieser Form ist der Körper
spannungsfrei. Der Zylinderabschnitt kann zum Zentrieren auf einer
Welle dienen, ohne auf dieser festgelegt zu werden, während die Erweiterungsabschnitte
später
zu Rollwandabschnitten umgeformt werden. An den Erweiterungsabschnitten 33, 43 ist
jeweils ein nach innen weisender Ringwulst 35, 45 ausgebildet,
der später
von einer Umbördelung
einer Befestigungshülse
aufgenommen wird.
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In der Darstellung b) ist im Halbschnitt
der erfindungsgemäße Rollbalg
nach einem Wendevorgang dargestellt, bei dem die vorherige Außenseite nach
innen und die vorherige Innenseite nach außen gelangt sind. Die Wulste 35, 45 der
Erweiterungsabschnitte 33, 43 weisen nach außen. Die
Erweiterungsabschnitte haben rein konische Form. Aufgrund der angegebenen
Formänderung
haben sich bereits Spannungen in der Balgwandung eingestellt. Hierbei ist
eine Spannung σ1' im Bereich des Zylinderabschnitts ebenso
von Null verschieden wie Spannungen σ2
', σ3
', σ4', σ5' im
Bereich der Erweiterungsabschnitte. Jeweils auf der Außenseite
des Körpers
liegen Zugspannungen und auf der Innenseite Druckspannungen vor.
Da der Zylinderabschnitt anschließend im Gebrauch keinen zusätzlichen
Verformungen unterworfen wird, ist die vorliegende Spannung σ1' als
unkritisch anzusehen.
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In der Darstellung c) ist wiederum
im Halbschnitt gezeigt der Zylinderabschnitt 32 unverändert, während die
Erweiterungsabschnitte nunmehr als Rollwandabschnitte 33', 43' nach
außen
in Richtung zum Zylinderabschnitt umgestülpt ist. Die Wulste 35, 45 sind
dabei nach radial innen weisend zu liegen gekommen. Auch hierbei
gilt, daß aufgrund
der Materialansammlung die Wulste 35, 45 im wesentlichen den
gleichen Durchmesser beibehalten haben wie zuvor in b),
während
die Rollwände 33', 43' örtlich verschiedenen
Formänderungen
ausgesetzt sind. Hieraus ergeben sich veränderte Spannungen. Der bleibende
Spannungszustand σ1 im Bereich des Zylinderabschnittes ist
unverändert
von Null verschieden, aber wie erwähnt unkritisch. Weitere bleibende
Spannungen σ2, σ4 im Bereich der Scheitelpunkte der Rollwände 33', 43' und σ3, σ5 nahe
den Wulsten 35, 45 sind dagegen durch den Umstülpvorgang
zu Null geworden bzw. sehr gering im Vergleich zum entsprechenden
Spannungszustand gemäß dem Stand
der Technik nach 1.
Die zusätzlichen Belastungen
in der Rollwand bei den Bewegungen des Rollbalgs im eingebauten
Zustand, d. h. insbesondere in gebeugter Stellung umlaufend, sind
hierdurch unkritisch geworden.
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- 11,
21, 31
- Rollbalg
- 12,
22, 32
- Zylinderabschnitt
- 13,
23, 33, 43
- Erweiterungsabschnitt
- 14,
24
- Umfangsnut
- 15,
25, 35, 45
- Wulst