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Die
Erfindung betrifft einen Faltenbalg mit mehreren zwischen zwei Befestigungsbunden
angeordneten Falten gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Faltenbälge werden
zur dichtenden Kapselung des Übergangsbereichs
zweier axial oder gelenkig miteinander verbundener Bauteile verwendet.
Die Falten ermöglichen
dabei sowohl axiale Längenänderungen
als auch Biegungen quer zur Längsachse, sodass
die Bauteile sowohl ihren Abstand als auch ihre Winkellage zueinander
verändern
können.
Ein Verwendungsfeld für
Faltenbälge
ist die Abdichtung von Lenkspindeln bei Kraftfahrzeugen. Ein solcher Faltenbalg
ist beispielsweise aus der
DE
41 15 446 C1 bekannt.
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Gerade
im automobilen Einsatz treten Probleme auf, wenn sich das innerhalb
des Faltenbalgs eingeschlossene Luftvolumen erwärmt und dabei ausdehnt. Dann
kommt es zu einer unkontrollierten Verformung des Faltenbalgs, dem
sogenannten S-Schlag. Dabei besteht die Gefahr, dass durch den begrenzten
Bauraum der verformte Faltenbalg an benachbarte Bauteile anstößt und dabei
beschädigt wird.
Dieses Problem tritt vor allem bei Faltenbälgen aus Kunststoff auf, beispielsweise
dann, wenn sie an Nachbarbauteile mit erhöhter Temperatur anstoßen. Der
Problematik wurde bisher durch eine Verstärkung des Balgs und einer damit
verbundenen höheren
Robustheit gegen Beschädigungen
begegnet, was aber zusätzliche
Materialkosten verursacht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch bei vergrößertem Volumen
des Faltenbalgs Berührungen
des verformten Faltenbalges mit benachbarten Bauteilen zu vermeiden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Danach weist der Faltenbalg sowohl entlang seiner Länge als auch
entlang seines Umfangs Variationen seiner geometrischen Form und/oder
Werkstoffeigenschaften auf, die bewirken, dass bei einer Vergrößerung des innerhalb
des Faltenbalgs eingeschlossenen Volumens der Faltenbalg ein vorgegebenes
Verformungsverhalten erfährt.
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Durch
diese Vorgaben wird eine bestimmte Verformung des Faltenbalgs erzwungen,
nämlich
ein mehrfacher S-Schlag mit geringerer Amplitude als bei einem bisher
eingesetzten Faltenbalg. Dadurch wird der vom Faltenbalg benötigte Raum
verkleinert und Berührungen
mit Nachbarbauteilen werden vermieden.
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So
kann verhindert werden, dass der Faltenbalg beschädigt wird,
was beispielsweise ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Faltenbalg
und eine daraus resultierende Korrosion und Langzeitschädigung der
abgedichteten Bauteile, z.B. der Lenkung zur Folge haben kann. Diese
Effekte werden durch die erfindungsgemäße Lösung vermieden.
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Zweckmäßigerweise
besteht der Faltenbalg aus Kunststoff. Dabei handelt es sich um
einen relativ preisgünstigen
und strapazierfähigen
Werkstoff. Faltenbalge aus Kunststoff sind weiterhin leicht und
kostengünstig
zu fertigen (Anspruch 2).
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Vorteilhafterweise
weist die Wandstärke
des Faltenbalgs sowohl in Umfangs- als auch in Längsrichtung des Faltenbalgs
Variationen auf. Diese Variationen können insbesondere bei durch
Blasformung hergestellten Bälgen
in sehr einfacher Weise durch eine Veränderung der Blasform hergestellt
werden (Anspruch 3).
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen Innenwand und Außenwand
quer zur Längsrichtung des
Faltenbalgs kreisförmige
Querschnitte auf. Im unverformten Zustand des Faltenbalgs liegen
die Mittelpunkte der kreisförmigen
Querschnitte der Innenwand des Faltenbalgs über die Länge des Faltenbalgs auf einer
Linie, die in Längsrichtung
des Faltenbalgs periodisch von einer Mittellinie des Faltenbalgs abweicht.
Diese Mittellinie des Faltenbalgs ist dabei definiert durch die
Mittelpunkte der kreisförmigen Querschnitte
der Außenwand.
Da der Faltenbalg aus Kunststoff durch Blasformung hergestellt wird,
kann diese Kontur der Falten sehr einfach durch eine Veränderung
der Geometrie des Kerns hergestellt werden (Anspruch 4).
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung
hervor.
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In
den Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine mögliche Ausgestaltung des Faltenbalgs,
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2 einen Querschnitt durch
den Faltenbalg sowie
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3 den Verlauf der Längsachse
des Faltenbalgs im verformten Zustand.
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In 1 ist ein Längsschnitt
durch eine mögliche
Ausführungsform
eines Faltenbalgs 1 dargestellt. Der Faltenbalg umfasst
zwei Befestigungsbunde 2, 3, mit denen er dichtend
an zwei axial oder gelenkig miteinander verbundenen Bauteilen angebracht
wird. Zwischen den Befestigungsbunden 2, 3 weist
der Faltenbalg 1 eine Reihe von Falten 4 auf, die
axiale Längenänderungen
sowie Biegungen des Faltenbalgs 1 ermöglichen. Der Faltenbalg 1 besteht in
diesem Beispiel aus Kunststoff und wird durch Blasformung hergestellt.
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Bei
dem Einsatz des Faltenbalgs 1 im Automobil, z.B. zur dichtenden
Kapselung der Lenkung, erwärmt
sich im Laufe des Betriebs das innerhalb des Faltenbalgs 1 eingeschlossene
Volumen 5 und dehnt sich dabei aus. Dabei tritt bei bekannten
Faltenbälgen 1 eine
unkontrollierte Verformung des Faltenbalges 1 in Bezug
auf eine durch die Mittelpunkte der Befestigungsbunde 2, 3 verlaufende
Mittellinie 19 auf. Die Idee der Erfindung ist es, diese
Verformung gezielt zu beeinflussen und damit zu verhindern, dass
der Faltenbalg 1 bei eingeschränktem Bauraum mit benachbarten
Bauteilen kollidiert und dabei auf die Dauer beschädigt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird die gezielte Verformung des Faltenbalgs 1 durch eine
gezielte lokale Veränderung
der Wandstärke 18 sowohl über den
Umfang als auch über
die Länge 7 des
Faltenbalgs 1 erreicht.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
besitzen die Außenwand 8 und
die Innenwand 9 jeweils einen kreisförmigen Querschnitt. Durch die
Mittelpunkte 10 der Querschnitte der Außenwand 8 ist in Längsrichtung
des Faltenbalgs 1 eine Mittellinie 19 definiert.
Diese Mittellinie 19 kann, wie in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigt, eine Gerade sein, sie kann aber auch einen gekrümmten Verlauf
aufweisen. In dem hier dargestellten Fall einer Geraden als Mittellinie 19 liegen
die Faltenspitzen 11 über
die Länge
des Faltenbalgs 1 auf einer Außenlinie 12. Die Mittelpunkte 13 der
Querschnitte der Innenwand 9 liegen auf einer Linie 14,
die im hier dargestellten unverformten Zustand des Faltenbalgs 1 näherungsweise
sinusförmig
von der Mittellinie 19 abweicht. Diese Linie 14 schneidet
dabei die Mittellinie 19, hier besitzt sie zwei Durchtritte 15 durch
die Mittellinie 19. So verlaufen die Faltengrunde 16 auch
sinusförmig
in Bezug auf eine Innenlinie 17, auf der die Faltengrunde 16 bei
konzentrischer Lage der Querschnitte von Außenwand 8 und Innenwand 9 liegen
würden.
Auf diese Weise entsteht eine über
die Länge 7 des
Faltenbalgs 1 variierende exzentrische Lage des kreisförmigen Innenquerschnitts
zum kreisförmigen
Außenquerschnitt.
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2 verdeutlicht diese Geometrie
anhand eines Querschnitts durch den Faltenbalg 1. An dieser Stelle
liegt der Mittelpunkt 13 des Innenquerschnitts neben dem
Mittelpunkt 10 des Außenquerschnitts,
so dass sich eine über
den Umfang des Faltenbalgs 1 variierende Wandstärke 18 ergibt.
Weiterhin variiert die Wandstärke 18,
wie oben dargestellt, gleichzeitig über die Länge 7 des Faltenbalgs 1.
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Erreicht
werden kann eine solche Geometrie bei einem durch Blasformung hergestellten
Faltenbalg 1 durch eine entsprechende Geometrie des Kerns
der Blasform bei gleichbleibender Außenform.
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Durch
diese Maßnahme
wird der in 3 verdeutlichte
Effekt erreicht: Bei einer Ausdehnung des Volumens 5 gibt
der Faltenbalg 1 genau an den Stellen nach, an denen die
Wandstärke 18 reduziert ist,
er verformt sich also in die Richtung der geringeren Wandstärke 18.
Der Faltenbalg 1 nimmt dann die in dem Diagramm gezeigte
Verformung an. Im Diagramm entspricht die Abszisse der unverformten
Mittellinie 19, welche die Mittelpunkte der beiden Befestigungsbunde 2, 3 verbindet,
und die Ordinate der Auslenkung 20 des Faltenbalgs 1 in
radialer Richtung. Die gestrichelte Linie entspricht der Verformung eines
homogenen Faltenbalgs 1, bei dem keine Variation der Geometrie über Länge 7 und
Umfang vorgenommen wurde. Der homogene Faltenbalg 1 weist einen
S-Schlag auf mit einer relativ großen Amplitude 21.
Wählt man
eine Geometrie wie die in den 1 und 2 dargestellte, so ergibt
sich ein Verlauf der Verformung entsprechend der durchgezogenen
Linie. In diesem Fall besitzt die Linie 14 der Mittelpunkte 13 der
Innenquerschnitte genau einen Durchtritt 15 durch die unverformte
Mittellinie 19 des Faltenbalges 1.
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So
wird erreicht, dass der verformte Faltenbalg 1 einen näherungsweise
sinusförmigen
Verlauf in Bezug auf die Mittellinie 19 mit einem Durchgang 22 durch
die Mittellinie 19 annimmt. In der Realität muss es
sich nicht immer um einen exakten Durchgang 22 handeln,
da auch durch eine räumliche
Verformung in der Ebene senkrecht zur Zeichenebene die Linie 14 neben
der Mittellinie 19 liegen kann. Die Amplitude 23 ist
entsprechend geringer als die Amplitude 21 des homogenen
Faltenbalgs 1. Sie kann noch weiter gesenkt werden, wenn
mehr Durchtritte 15 der Linie 14 durch die unverformte
Längsachse 6 vorgesehen
werden.
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Neben
dem in 1 gezeigten sinusförmigen Verlauf
kann auch ein allgemeiner periodischer Verlauf der Linie 14 der
Mittelpunkte 13 der Innenwandquerschnitte vorgesehen werden.
Ferner müssen
die Mittelpunkte 10 der Querschnitte der Außenwand 8 nicht
auf einer Geraden liegen, sondern die durch sie definierte Mittellinie 19 kann
einen beliebigen dreidimensionalen Verlauf annehmen, so dass nicht,
wie in 1 gezeigt, alle
Faltenspitzen 11 auf einer geraden Außenlinie 12 liegen.
Somit kann auch die Möglichkeit
vorgesehen werden, bei gleichmäßiger Innenkontur
die Außenkontur
des Faltenbalgs 1 über
Umfang und Länge 7 zu
variieren.
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Die
in den 1 bis 3 beschriebene Variation
der Wandstärke
ist nur ein Ausführungsbeispiel, um
die gezielte Verformung des Faltenbalgs 1 zu erreichen.
Denkbar sind alle Möglichkeiten,
die die Richtung sowie die Amplitude 23 der Verformung,
die sich bei Vergrößerung des
Volumens 5 einstellt, gezielt beeinflussen. Dabei kann
es auch Einsatzgebiete geben, in denen es ausreicht, die Richtung
der Verformung gezielt zu beeinflussen, ohne die Amplitude 23 zu
verringern. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn beim
Einbau des Faltenbalgs 1 in genau einer Richtung genügend freier
Raum vorhanden ist. Die Verformung wird dann speziell in diese Richtung
gelenkt.
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2 zeigt schematisch eine
alternative Möglichkeit
der Variation der Wandstärke 18:
Während
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
die Mittelpunkte 13 der Innenwandquerschnitte über die
Länge 7 des
Faltenbalgs 1 auf einer Geraden 25 durch den Mittelpunkt 10 des
Außenwandquerschnitts
hin und her wandern, können
Sie auch über
die Länge 7 des
Faltenbalgs 1 auf einer – hier gestrichelt dargestellten – Kreisbahn 26 bezogen
auf den Mittelpunkt 10 des Außenwandquerschnitts bzw. die
Mittellinie 19 wandern. In diesem Fall erfährt der
Faltenbalg 1 eine dreidimensionale, spiralförmige Verformung, wenn
sich das Volumen 5 ausdehnt.
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Neben
den oben beschriebenen Veränderungen
der Geometrie des Faltenbalges 1 existieren noch vielfältige andere
Möglichkeiten,
um die erwünschte
gezielte Verformung zu erreichen. Die Geometrie der Falten 4 kann
auf eine andere Weise lokal verändert
werden, z.B. durch lokale Schwächung der
Wandstärke 18 einzelner
Bereiche des Faltenbalges 1.
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Eine
weitere Möglichkeit
stellt die Einbringung von Kerben und/oder Nuten in die Wandung 24 des
Faltenbalgs 1 dar.
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Weiterhin
können
Maßnahmen
getroffen werden, welche die Werkstoffeigenschaften des Faltenbalgs 1 sowohl über die
Länge 7 als
auch über den
Umfang gezielt verändern:
Denkbar wären
da gezielte lokale Veränderungen
des Werkstoffes des Faltenbalgs 1, z.B. die Verwendung
eines weicheren Werkstoffs an den Bereichen, an denen der Faltenbalg 1 gezielt
nachgeben soll.
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Ferner
können
bei einem einheitlichen Werkstoff des Faltenbalgs 1 die
Eigenschaften dieses Werkstoffs lokal gezielt verändert werden,
beispielsweise durch eine lokale Wärmebehandlung. Dies wäre insbesondere
bei Faltenbälgen
aus Metall eine einfache Möglichkeit.
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Weiterhin
können über die
Länge 7 des
Faltenbalgs 1 lokal Verstärkungselemente an mehreren Stellen über den
Umfang verteilt in die Wandung 24 des Faltenbalgs 1 eingebracht
werden, so dass sich der Faltenbalg 1 an den Bereichen
zwischen den Verstärkungselementen
verformt. Solche Verstärkungselemente können auch
an der Innenwand 9 oder der Außenwand 8 des Faltenbalgs 1 vorgesehen
werden.