DE10242428A1

DE10242428A1 - Faltenbalg für Gleichlaufverschiebegelenke

Info

Publication number: DE10242428A1
Application number: DE10242428A
Authority: DE
Inventors: Markus Deisinger; Joachim Wette; Thorsten Scholtz; Thomas Schmidt
Original assignee: GKN Automotive GmbH
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: FR2829537A1; US20050020366A1; FR2829537B1; US7235018B2; JP2005502844A; WO2003023262A1; US20050029750A1; DE10242428B4; JP4472335B2; JP2005502843A; WO2003023261A1; KR20040070357A

Abstract

Faltenbalg zur Abdichtung eines Ringspaltes zwischen zwei drehfest miteinander verbundenen, gegeneinander abwinkelbaren und gegeneinander axial verschiebbaren Teilen - insbesondere an einem Gleichlaufverschiebegelenk - aus einem dehnungsarmen, polymeren Hartwerkstoff, mit einem ersten größeren Bund 11 zur Festlegung auf einem ersten Bauteil, einem zweiten kleineren Bund 12 zur Festlegung auf einem zweiten Bauteil und einer sich zwischen dem ersten Bund und dem zweiten Bund erstreckenden Mehrzahl von Ringfalteneinheiten, die als Außenfalten aus zwei Ringflanken eine Faltenspitze 21 zwischen zwei Faltentälern 22 bilden, DOLLAR A eine erste Gruppe A von zumindest drei Ringfalten mit Anschluß an den ersten Bund 11 hat in Richtung vom ersten Bund zum zweiten Bund abnehmenden Durchmesser der Faltenspitzen 21 und Faltentäler 22, DOLLAR A eine zweite Gruppe B von Ringfalten mit Anschluß an den zweiten Bund 12 von zumindest einer Falte hat gleichbleibenden Durchmesser der Faltentäler 22 und gegebenenfalls der Faltenspitzen 21, DOLLAR A das Verhältnis des Durchmessers der Faltenspitze 21 der größten Ringfalte A1 der ersten Gruppe A zu dem Durchmesser des zweiten Bundes 12 beträgt >= 2,5.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faltenbalg zur Abdichtung eines Ringspaltes zwischen zwei drehfest miteinander verbundenen, gegeneinander abwinkelbaren und gegeneinander axial verschiebbaren Teilen - insbesondere an einem Gleichlaufverschiebegelenk - aus einem dehnungsarmen, polymeren Hartwerkstoff mit einem ersten größeren Bund zur Festlegung auf einem ersten Bauteil, einem zweiten kleineren Bund zur Festlegung auf einem zweiten Bauteil und einer sich zwischen dem ersten Bund und dem zweiten Bund erstreckenden Mehrzahl von Ringfalteneinheiten, die als Außenfalten ausgebildet sind, die aus zwei Ringflanken bestehen und jeweils eine Faltenspitze zwischen zwei Faltentälern bilden.
Faltenbälge der genannten Art werden aufgrund wachsender Anforderungen zunehmend aus polymeren Hartwerkstoffen hergestellt, die im Vergleich mit den früher verwendeten weichelastischen Materialien eine verbesserte Widerstandsfähigkeit in mechanischer und chemischer Hinsicht aufweisen. Ihre Verwendung ist im Hinblick auf erhöhte Drehzahlen und höhere Lebensdaueranforderungen unvermeidlich. Ein Problem stellt ihre geringere Flexibilität dar, die insbesondere bei tiefen Temperaturen problematisch werden kann. Bei Gleichlauffestgelenken, die ausschließlich eine Abwinkelung zwischen zwei umlaufenden Bauteilen bewerkstelligen, sind heute mit Faltenbälgen aus den genannten Werkstoffen bereits alle Anforderungen zu erfüllen. Bei Gleichlaufverschiebegelenken, die neben der Winkelbewegung eine Axialverschiebung zwischen den zwei umlaufenden Bauteilen bewerkstelligen, führt dies an den abdichtenden Faltenbälgen bei ineinandergeschobenem und abgewinkeltem Gelenk zu einem Reibungskontakt zwischen den Ringflanken auf der Winkelinnenseite und bei auseinandergezogenem und abgewinkeltem Gelenk zu einem übermäßigen Auffalten der einzelnen Ringfalten auf der Winkelaußenseite, die zu einem Einknicken der Ringfalten oder anderen Unregelmäßigkeiten führen kann. Insbesondere bei hohen Drehzahlen kann dies die Elastizität des Faltenbalgs überschreiten und zu Schäden am Faltenbalg führen.
Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Faltenbalg der genannten Art bereitzustellen, der erhöhte Anforderungen im Betrieb ohne Schäden erträgt und damit für Gleichlaufverschiebegelenke besonders geeignet ist. Die Lösung hierfür besteht in einem Faltenbalg der eingangs genannten Art mit den Merkmalen:
eine erste Gruppe von Ringfalten mit Anschluß an den ersten Bund mit zumindest drei Ringfalten hat in Richtung vom ersten Bund zum zweiten Bund abnehmenden Durchmesser der Faltenspitzen und Faltentäler,
eine zweite Gruppe von Ringfalten mit Anschluß an den zweiten Bund mit zumindest einer Ringfalte hat gleichbleibenden Durchmesser der Faltentäler und gegebenenfalls der Faltenspitzen,
das Verhältnis des Durchmessers D₁ der Faltenspitze der größten Ringfalte der ersten Gruppe zum Durchmesser D₂ des zweiten Bundes beträgt ≥ 2,5;
die beiden Ringflanken jeder der Ringfalten der ersten Gruppe (A) bilden entgegengesetzt angetragene Winkel mit einer Radialebene (R), wobei ein kleinerer Winkel β von der zum zweiten Bund weisenden Ringflanke gebildet wird und ein größerer Winkel α ≥ β + 25° von der zum ersten Bund weisenden Ringflanke gebildet wird;
die zum ersten Bund weisenden Ringflanken jeder der Ringfalten der ersten Gruppe (A) sind nach außen konvex gekrümmt.
Hiermit wird die Verformung des Faltenbalgs bei Abwinkelung und Axiallängenänderung durch Spezialisierung zweier Faltengruppen so auf diese aufgegliedert, daß die erste Gruppe aus Falten abnehmender Größe sich überwiegend in Form eines Abwinkelns der einzelnen Ringfalten zueinander verformt und die zweite Gruppe aus zumindest einer Ringfalte kleineren Außendurchmessers überwiegend die Axiallängenänderung durch Längung der zumindest einen Ringfalte auffängt. Die konvexe Form der Ringflanken stabilisiert die Ringfalten der ersten Gruppe gegen ein Einknicken und verhindert weitgehend ein Aneinanderscheuern der Ringflanken der einzelnen Ringfalten der ersten Gruppe. Faltenbälge mit zwei voneinander zu unterscheidenden Gruppen von Falten sind beispielsweise aus der DE 33 09 386 C1, der DE 43 23 686 C2, der DE 196 01 096 A1 und der DE 198 06 173 C1 bekannt. Hierbei befindet sich jedoch zwischen den beiden Gruppen von Falten ein Bereich, der mit der einliegenden Welle ständigen Kontakt hat. Aus der DE 38 73 496 T2 ist ein Faltenbalg der genannten Art mit zwei voneinander zu unterscheidenden Funktionsbereichen bekannt, mit Falten, deren Flanken zueinander parallel sind und jeweils von einem gerundeten Ringwulst außen verbunden werden.
Aus der US 5,236,394 ist ein Faltenbalg der genannten Art bekannt, bei dem eine Übergangsfalte mit einer Faltenspitze und Faltentälern mit geringem Durchmesser gegenüber den entsprechenden Durchmessern der übrigen Ringfalten ausgebildet sind, wobei die Faltentäler der Übergangsfalte als erstes in Abstützkontakt mit einem Wellenschaft kommen sollen, wenn der Faltenbalg an einem Drehgelenk angeordnet ist und dieses abgebeugt wird.
Demgegenüber sind die Ringfalten nach der vorliegenden Erfindung bei koaxialer Ausrichtung der beiden Bunde zueinander in der Einbausituation kontaktfrei gegenüber einer einliegenden Welle und die Ringfalten weisen jeweils etwa Doppelkonusform auf.
Die erste Gruppe von Falten kann bis zu fünf Ringfalten umfassen, die zweite Gruppe von Falten kann bis zu acht Ringfalten umfassen. Die Auswahl der Faltenzahl richtet sich nach dem vorliegenden Anforderungsprofil im Hinblick auf Beugewinkel und Längenänderung. Es ist deutlich, daß mit zunehmender Zahl von Ringfalten die Tendenz zu zunehmender Baulänge verbunden ist, dabei jedoch die Winkelarbeit der einzelnen Falten bei Abwinkelung tendenziell abnimmt. Hiervon ist unbenommen, daß die Faltenform der einzelnen Falten in bestimmten Bereichen variieren kann, d. h. daß spitzere und breitere Falten möglich sind, wobei grundsätzlich die Falten der ersten Gruppe breiter (voluminöser) und die Falten der zweiten Gruppe spitzer (schmaler) sind.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß zwischen dem ersten Bund und der ersten Ringfalte (A1) der ersten Gruppe (A) ein Anschlußbereich liegt, dessen größter Außendurchmesser im wesentlichen nicht größer ist als der des ersten Bundes und daß der größte Außendurchmesser der ersten Ringfalte (A1) der ersten Gruppe ihrerseits im wesentlichen nicht größer ist als der des Anschlußbereiches. Hiermit werden geringe Baumaße eingehalten. Weiterhin ist insbesondere vorgesehen, daß die Ringflanken jeder der Ringfalten der zweiten Gruppe entgegengesetzt angetragene Winkel mit einer Radialebene bilden, wobei von der zum zweiten Bund weisenden Ringflanke ein Winkel β und von der zum ersten Bund weisenden Ringflanke ein Winkel α, der mit α = β ± 5° definiert ist, gebildet wird.
Da die annähernd konischen Ringflanken der zum ersten Bund weisenden Ringfalten der ersten Gruppe nach außen konvex gekrümmt sind, wird hiermit definiert, daß als Bezug für die Winkelangaben jeweils die Konusfläche zwischen der Außenumfangslinie eines Faltentals und der Außenumfangslinie einer Faltenspitze heranzuziehen ist, bzw. im Längsschnitt betrachtet die Gerade zwischen dem kleinsten Außenradius eines Faltentals und dem größten Außenradius einer Faltenspitze.
In weiterführender Ausgestaltung ist vorgesehen, daß zwischen den Ringfalten der ersten Gruppe und den Ringfalten der zweiten Gruppe eine Übergangsfalte vorgesehen ist, deren Durchmesser an den Faltentälern voneinander abweicht, wobei der Durchmesser an der zum ersten Bund weisenden Ringflanke größer ist als der Durchmesser an der zum zweiten Bund weisenden Ringflanke. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, daß die Ringflanken der Übergangsfalte entgegengesetzt angetragene Winkel mit einer Radialebene bilden, wobei die zum zweiten Bund weisende Ringflanke einen Winkel β bildet und die zum ersten Bund weisende Ringflanke einen Winkel α, der mit β + 25° ≥ α ≥ β + 5° definiert ist. Die genannte Übergangsfalte ähnelt damit den Ringfalten der ersten Gruppe insoweit, als der Durchmesser ihrer Faltentäler zum zweiten Bund hin abnimmt; bezüglich der Winkelkonfiguration der Ringflanken ähnelt sie jedoch bereits den Ringfalten der zweiten Gruppe. Hiermit soll sichergestellt werden, daß auch bei größeren Winkelbewegungen des Faltenbalges möglichst kein Reibungskontakt der Faltentäler zur einliegenden Welle entsteht.
Bevorzugt ist der Durchmesser der Faltenspitze der Übergangsfalte (C) kleiner oder gleich dem Durchmesser der Faltenspitze der benachbarten Ringfalte der ersten Gruppe (A) und größer oder gleich dem Durchmesser der Faltenspitze der benachbarten Ringflanke der zweiten Gruppe (B). Weiterhin sind vorteilhafterweise die Durchmesser der Faltentäler der Übergangsfalte (C) kleiner als die Durchmesser der Faltentäler der Ringfalten der ersten Gruppe (A) und größer als der Durchmesser der Faltentäler der Ringfalten der zweiten Gruppe (B). Die Übergangsfalte bleibt hierdurch bei Beugung eines Drehgelenks, an dem der Faltenbalg installiert ist, länger oder gänzlich berührungsfrei gegenüber einem einliegenden Wellenschaft.
Als bevorzugtes Material für den Faltenbalg wird ein thermoplastisches Elastomer (TPE) vorgeschlagen. Hierbei kommen insbesondere Werkstoffe auf Polyurethanbasis (TPU), Polyesterbasis (TPEE), insbesondere Polyetherester oder Polyesterester, auf Polyamidbasis (TPA) und auf Polyolefinbasis (TPO), hierbei insbesondere Polypropylen oder Polyethylen, in Betracht.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Faltenbalges wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Faltenbalg im Längshalbschnitt, an dem verschiedene Einzelmerkmale gekennzeichnet sind;
Fig. 2 zeigt die Darstellung nach Fig. 1, in der die erfindungsbestimmenden Abmessungen gekennzeichnet sind;
Fig. 3 zeigt zwei Ringfalten im Längshalbschnitt, an denen die Winkelangaben eingezeichnet sind.
In Fig. 1 ist ein Faltenbalg dargestellt, der einen ersten Bund 11 größeren Durchmessers mit einem Anschlußbereich 11', dessen größter Außendurchmesser im wesentlichen nicht größer ist, als der des ersten Bundes, einen zweiten Bund 12 kleineren Durchmessers mit einem Anschlußbereich 12' sowie insgesamt sieben vollständige Ringfalten erkennen läßt. Eine erste Gruppe A umfaßt drei Ringfalten A1, A2, A3, deren Faltentäler und Faltenspitzen im Durchmesser von Falte zu Falte jeweils vom ersten Bund 11 zum zweiten Bund 12 abnehmen. Eine zweite Gruppe B von zwei vollständigen Falten B1 und B2 und mit insgesamt drei Faltenspitzen hat Faltentäler und Faltenspitzen, die untereinander gleichen Durchmesser haben. Eine Übergangsfalte C liegt zwischen der ersten Gruppe A und der zweiten Gruppe B und weist Faltentäler abnehmenden Durchmessers vom ersten Bund 11 zum zweiten Bund 12 auf. An der Falte A1 ist markiert, daß eine vollständige Ringfalte als Außenfalte mit einer Faltenspitze 21 zwischen zwei Faltentälern 22 betrachtet wird.
In Fig. 2 sind die gleichen Einzelheiten wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen. Mit D1 ist der Außendurchmesser der ersten Falte A1 der ersten Gruppe A bezeichnet, mit D2 ist der Außendurchmesser des zweiten Bundes 12 bezeichnet. Erfindungsgemäß ist das Verhältnis beider Durchmesser D₁/D₂ ≥ 2,5.
In Fig. 3 ist eine einzelne Falte dargestellt, wobei in Fig. 3a an einer Falte, die beispielsweise die Falte A1 sein kann, eine erste Ringflanke 31 und eine zweite Ringflanke 32 bezeichnet sind. Eine Radialebene R steht normal auf der Faltenbalglängsachse L. Der Öffnungswinkel der ersten Ringflanke 31 gegenüber der Radialebene R ist mit α, der Öffnungswinkel der zweiten Ringflanke 32 gegenüber der Radialebene R ist mit β bezeichnet. In Fig. 3b ist verdeutlicht, daß an einer außen konvexen Ringflanke (31) ebenso wie gegebenenfalls an einer außen konkaven Ringflanke (32) der von der Radialebene abweichende Schenkel des Öffnungswinkels α von einer Geraden zwischen der größten Umfangslinie 41 des Faltenbergs und der kleinsten Außenumfangslinie 42 des angrenzenden Faltentals gebildet wird. In Fig. 3a wird gezeigt, daß der von der Radialebene abweichende Schenkel des Öffnungswinkels β von einer streng konischen Oberfläche der Ringflanke (32) selber gebildet wird.

Claims

1. Faltenbalg zur Abdichtung eines Ringspaltes zwischen zwei drehfest miteinander verbundenen, gegeneinander abwinkelbaren und gegeneinander axial verschiebbaren Teilen - insbesondere an einem Gleichlaufverschiebegelenk - aus einem dehnungsarmen, polymeren Hartwerkstoff, mit einem ersten größeren Bund (11) zur Festlegung auf einem ersten Bauteil, einem zweiten kleineren Bund (12) zur Festlegung auf einem zweiten Bauteil und einer sich zwischen dem ersten Bund und dem zweiten Bund erstreckenden Mehrzahl von Ringfalteneinheiten, die als Außenfalten ausgebildet sind, die aus zwei Ringflanken (31, 32) bestehen und jeweils eine Faltenspitze (21) zwischen zwei Faltentälern (22) bilden;
eine erste Gruppe (A) von Ringfalten mit Anschluß an den ersten Bund (11) mit zumindest drei Ringfalten hat in Richtung vom ersten Bund zum zweiten Bund abnehmenden Durchmesser der Faltenspitzen (21) und Faltentäler (22),
eine zweite Gruppe (B) von Ringfalten mit Anschluß an den zweiten Bund (12) mit zumindest einer Ringfalte hat gleichbleibenden Durchmesser der Faltentäler (22) und gegebenenfalls der Faltenspitzen (21),
das Verhältnis des Durchmessers D1 der Faltenspitze (21) der größten Ringfalte (A1) der ersten Gruppe (A) zu dem Durchmesser D₂ des zweiten Bundes (12) beträgt ≥ 2,5;
die beiden Ringflanken (31, 32) jeder der Ringfalten der ersten Gruppe (A) bilden entgegengesetzt angetragene Winkel mit einer Radialebene (R), wobei ein kleinerer Winkel β von der zum zweiten Bund (12) weisenden Ringflanke (32) gebildet wird und ein größerer Winkel α mit α > β + 25° von der zum ersten Bund (11) weisenden Ringflanke gebildet wird;
die zum ersten Bund. (11) weisenden Ringflanken (31) jeder der Ringfalten der ersten Gruppe (A) sind nach außen konvex gekrümmt.

2. Faltenbalg nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe (A) bis zu fünf Ringfalten umfaßt.

3. Faltenbalg nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Bund (11) und der ersten Ringfalte (A1) der ersten Gruppe (A) ein Anschlußbereich (11') liegt, dessen größter Außendurchmesser im wesentlichen nicht größer ist, als der des ersten Bundes (11).

4. Faltenbalg nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gruppe (B) bis zu acht Ringfalten umfaßt.

5. Faltenbalg nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringflanken (31, 32) jeder der Ringfalten der zweiten Gruppe (B) entgegengesetzt angetragene Winkel mit einer Radialebene bilden, wobei von der zum zweiten Bund (12) weisenden Ringflanke (32) ein Winkel β und von der zum ersten Bund (11) weisenden Ringflanke (31) ein Winkel α, der mit α = β ± 5° definiert ist, gebildet wird.

6. Faltenbalg nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ringfalten der ersten Gruppe (A) und den Ringfalten der zweiten Gruppe (B) eine Übergangsfalte (C) vorgesehen ist, deren Durchmesser an den Faltentälern (22) voneinander abweicht, wobei der Durchmesser des Faltentals an der zum ersten Bund (11) weisenden Ringflanke (31) größer ist als der Durchmesser des Faltentals an der zum zweiten Bund (12) weisenden Ringflanke (32).

7. Faltenbalg nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringflanken (31, 32) der Übergangsfalte (C) entgegengesetzt angetragene Winkel mit einer Radialebene (R) bilden, wobei die zum zweiten Bund (12) weisende Ringflanke (32) einen Winkel β bildet und die zum ersten Bund (11) weisende Ringflanke (31) einen Winkel α, der mit β + 25° ≥ α ≥ β + 5° definiert ist, bildet.

8. Faltenbalg nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Faltenspitze der Übergangsfalte (C) kleiner oder gleich dem Durchmesser der Faltenspitze der benachbarten Ringfalte (A3) der ersten Gruppe (A) und größer oder gleich dem Durchmesser der Faltenspitze der benachbarten Ringfalte (B1) der zweiten Gruppe (B) ist.

9. Faltenbalg nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Faltentäler der Übergangsfalte (C) kleiner sind als die Durchmesser der Faltentäler der Ringfalten der ersten Gruppe (A) und größer sind als der Durchmesser der Faltentäler der Ringfalten der zweiten Gruppe (B).

10. Faltenbalg nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Faltenbalg aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) besteht.

11. Faltenbalg nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein TPE auf Polyurethanbasis (TPU) umfaßt.

12. Faltenbalg nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein TPE auf Polyesterbasis (TPEE) umfaßt.

13. Faltenbalg nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der TPEE ein Polyetherester oder Polyesterester ist.

14. Faltenbalg nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein TPE auf Polyamidbasis (TPA) umfaßt.

15. Faltenbalg nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein TPE auf Polyolefinbasis (TPO) umfaßt.

16. Faltenbalg nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der TPO ein Polypropylen oder ein Polyethylen ist.