DE10334673B3 - Herstellverfahren für einen Hochdruck-Dehnschlauch - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines flexiblen Hochdruck-Dehnschlauches aus elastomerem Werkstoff mit mindestens einem Innenschlauch aus elastomerem Werkstoff, mindestens einer Außenhülle aus elastomeren Werkstoff und zwischen Innenschlauch und Außenhülle mindestens einem Armierungsgeflecht, welches aus mindestens zwei Fadenbündeln so auf den Innenschlauch gewickelt wird, dass die textilen Fäden mit einer nennenswert größeren Spannung im elastischen Bereich auf den Innenschlauch aufgewickelt werden, als mit der Spannung, die sich durch die übliche Auszugskraft aus den Spulen ergibt. Dadurch nehmen die Einzelfäden einen Durchmesser an, der kleiner als der Ausgangsdurchmesser ist, so dass mit einer größeren Anzahl von Fäden als ohne höhere Spannung gewickelt werden kann. Dadurch wird die Druckfestigkeit des Schlauches verbessert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines flexiblen Hochdruck-Dehnschlauches aus elastomerem Werkstoff mit mindestens einem Innenschlauch aus elastomerem Werkstoff, mindestens einer Außenhülle aus elastomerem Werkstoff und zwischen Innenschlauch und Außenhülle mindestens einem Armierungsgeflecht, welches aus mindestens zwei Fadenbündeln auf den Innenschlauch gewickelt wird, wobei die als Fädigkeit bezeichnete Anzahl der Fäden pro Fadenbündel größer als eins ist.
  • Dehnschläuche sind meist mit Armierungsgeflecht verstärkte Gummi- und/oder Elastomerschläuche. Sie werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen dort eingesetzt, wo ein inkompressibles Medium Drücke pulsierend oder stoßförmig überträgt und diese Druckschwankungen durch eine Volumenzu- bzw. abnahme abgemildert werden sollen. Dazu ist es notwendig, dass sich das im Schlauchinneren befindliche Volumen bei Druckänderungen entsprechend anpasst, d.h. sich bei steigendem Druck reversibel vergrößert. Dieses Verhalten wird vereinfachend als Volumenvergrößerung bezeichnet.
  • Nach dem Stand der Technik werden die Eigenschaften eines Dehnschlauches neben der Beschaffenheit von Innenschlauch und Außenmantel im wesentlichen durch das Verhalten des Armierungsgeflechtes bestimmt. Dieses weist in der Regel zwei Fadenbündel aus jeweils mehreren Fäden auf, wobei das eine Fadenbündel linksdrehend, das zweite rechtsdrehend um den Innenschlauch geflochten wird. Die bei bekannten Flechtmaschinen auf tretenden Zugspannungen in den Fäden resultieren im wesentlichen aus den Auszugskräften aus den Spulen und dienen dazu, den Faden straff und ohne Schlingen gerade um den Innenschlauch zu wickeln. Sie liegen üblicherweise im Bereich von bis zu ca. 25 N.
  • Eine wichtige Kenngröße des Armierungsgeflechtes ist der Flechtwinkel α, der zwischen einem Fadenbündel und der Schlauchlängsachse aufgespannt wird. Der Flechtwinkel ist für beide Fadenbündel betragsmäßig gleich.
  • In 3 werden die geometrischen Zusammenhänge eines derartigen Geflechtes aufgezeigt. In der nachstehenden Beschreibung werden folgende Formelzeichen und Indizes verwendet. Es bedeuten:
    • α
    = Flechtwinkel
    ρG
    = Geflechtsdichte
    A
    = Fadenabstand
    d
    = Geflechtsdurchmesser
    f
    = Anzahl der Fäden pro Spule bzw. pro Fadenbündel, Fädigkeit
    fmax theor
    = theoretische Fädigkeit
    LW
    = Fadenlänge einer Windung
    Pmax
    = Berstdruck
    R
    = Fadenreißkraft
    S
    = Länge des Schlauches für eine Fadenwindung, Steigung
    SF0
    = Ausgangs-Fadendurchmesser
    V
    = Innenvolumen des Geflechtes
    Z
    = Gesamtanzahl der Fäden für das Geflecht
    z
    = Spulenanzahl
  • Ein Geflecht i mit einem Innendurchmesser d wird durch Geflechtsfäden ii gebildet, die unter dem Winkel α gegen die Längsachse geflochten sind. Auf einer Länge S weist ein Faden der Länge LW genau eine Windung auf. Die Länge S wird als Steigung bezeichnet. Daraus folgt, dass
    Figure 00030001
  • Die Fadenlänge LW ergibt sich zu
  • Figure 00030002
  • Das Volumen V, das von diesem Geflecht auf der Länge S eingeschlossen wird, beläuft sich auf
    Figure 00030003
  • Mit (Ia–c) und (II) eingesetzt in (III) ergibt sich das Volumen in Abhängigkeit vom Geflechtswinkel α zu
    Figure 00030004
  • Durch eine Maxima-Minima-Betrachtung ergibt sich, dass das Volumen V des Schlauches bei einem Flechtwinkel von α = 54° 44' unabhängig vom Durchmesser d maximal ist.
  • Das Armierungsgeflecht nimmt in guter Näherung die gesamten Kräfte auf, die durch den Innendruck pi im Schlauch entstehen. Die Kraftaufnahme der elastomeren Schlauchteile kann dabei vernachlässigt werden.
  • Die auftretenden Kräfte lassen sich nach der dem Fachmann bekannten Kesselformel in einen axialen und einen tangentialen Teil zerlegen. Das Armierungsgeflecht kann jedoch nur Kräfte aufnehmen, die in Fadenrichtung liegen. Daher ist nur dann ein Kräftegleichgewicht zwischen Armierungsgeflecht und Innendruck gegeben, wenn die Resultierende von Axial- und Tangentialkraft ebenfalls in Fadenrichtung liegt.
  • Aus dieser Gleichgewichtsbedingung ergibt sich, dass das Kräftegleichgewicht bei einem Winkel von α = 54° 44' besteht. Dies ist, wie oben gezeigt, auch der Winkel des maximalen Volumens. Deshalb wird dieser Winkel αn neutraler Flechtwinkel genannt. Bei Abweichungen von diesem neutralen Flechtwinkel strebt das Geflecht unter Innendruck immer an, ggf. durch Veränderungen des Durchmessers und der Länge, den neutralen Flechtwinkel zu erreichen. Dies macht man sich bei einer bestimmten zu erzielenden Volumenvergrößerung bei Dehnschläuchen zunutze.
  • Der maximale Innendruck, den das Geflecht aufnehmen kann, ist außer vom Durchmesser d von der Reißkraft R und der Anzahl Z der Fäden im Geflecht abhängig. Kurz vor dem Bersten hat das Geflecht in guter Näherung den neutralen Fadenwinkel αn angenommen.
  • Die maximale Anzahl Z der Fäden im Geflecht wird von den geometrischen Verhältnissen des Schlauches bzw. Geflechtes begrenzt. Die Fäden befinden sich zum Wickeln auf einer bestimmten Anzahl z von Spulen und sind zu Fadenbündeln mit einer Anzahl f Fäden je Spule zusammengefasst, wobei f auch als Fädigkeit bezeichnet wird. In 4 sind die geometrischen Verhältnisse eines derartigen Armierungsgeflechtes für einen Wickelwinkel α in nur einer Geflechtsrichtung vereinfacht dargestellt. Auf der Länge S des Schlauches mit dem Durchmesser d umschlingt ein Faden ii den Schlauch unter dem Winkel α genau einmal. Dabei stellt sich der Fadenabstand B ein. Auf dieser Breite B müssen die Hälfte aller Fäden des Geflechtes, d.h. alle Fäden der gezeigten Wickelrichtung untergebracht werden, wobei alle Fäden in einer Ebene liegen müssen. Je nach Art der verwendeten Flechtmaschine steht die Anzahl z der für einen bestimmten Geflechtsdurchmesser verwendeten Fadenspulen fest, so dass für einen Schlauch mit bestimmtem Durchmesser und bestimmter Volumenvergrößerung bei festgelegtem Fadendurchmesser sF0 nur noch die Fadenzahl f pro Spule variiert werden kann. Unter der Berücksichtigung, dass ein Armierungsgeflecht immer zwei Wickelrichtungen aufweist, ergibt sich die maximale Fadenzahl Z zu
    Figure 00050001
    und die theoretische Fädigkeit fmax theor zu
    Figure 00050002
  • Dieser theoretische Wert ist meist nicht ganzzahlig, so dass die reale Fadenzahl dem nächst kleineren ganzzahligen Wert entspricht. Daraus ergibt sich, dass zwischen den einzelnen aufgewicktelten Fadenbündeln ein Abstand A entsteht, der dazu führt, dass zwischen den Fadenbündeln an den Kreuzungspunkten rautenförmige Stellen frei bleiben. Bei hohen Drücken besteht an diesen Stellen die Gefahr, dass es zu Durchschlägen kommt, d.h. dass der Innenschlauch zerstört wird und das Druckmedium austritt. Deshalb ist es zweckmäßig, die Geflechtsdichte ρG möglichst groß zu wählen, wobei
    Figure 00050003
  • Der Berstdruck Pmax eines derartigen Schlauches lässt sich nun ebenfalls aus den geometrischen Verhältnissen, den Werkstoffkenngrößen und den Gleichgewichtsbedingungen nach der Kesselformel herleiten. Unter der Berücksichtigung des Flechtwinkels α und der Fadenreißkraft R ergibt sich der Berstdruck P daraus zu
    Figure 00050004
  • Dehnschläuche nach diesem Stand der Technik sind bekannt und vielfältig im Einsatz. Die DE 2429680 A beschreibt einen Hochdruckschlauch, der für hydraulische und andere unter hohem Druck stehende Strömungsmittel geeignet ist. Dieser Schlauch weist einen Innenschlauch, einen Außenmantel und zwischen Innenschlauch und Außenmantel eine unter Zugspannung stehende Armierung aus Fasersträngen auf. Dabei ist die Armierung so dicht gewickelt, dass sie den Innenschlauch im wesentlichen vollständig bedeckt. Eine Erhöhung des Berstdruckes bei bestehender Geometrie des Schlauches kann ohne zusätzliche Armierungen nur über einen anderen Werkstoff mit höherer Reißfestigkeit erreicht werden, da bei einer im wesentlichen vollständigen Bedeckung des Innenschlauches gemäß der vorgeschlagenen Lösung eine Erhöhung der Fadenzahl Z nicht möglich ist. Zur Verbesserung der Druckfestigkeit wird vorgeschlagen, eine weitere Armierung außen um die innere Armierung herumzulegen, ohne eine zusätzliche Verbindung durch Kleben o.ä. zwischen den Armierungslagen herzustellen.
  • Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass der Schlauch durch die Verwendung mehrere Armierungen steif wird. Außerdem ist die zweite Armierungslage mit zusätzlichen Kosten verbunden.
  • Die DE 35 34 909 C2 beschreibt einen Druckschlauch, der einen Innenschlauch, zwei entgegengesetzt schraubenlinienförmig gewickelte innere und äußere Verstärkungslagen und eine äußere Ummantelung aufweist, wobei die Verstärkungslagen dicht, aber nicht miteinander verflochten sind.
  • Auch hier ist die Erhöhung der Fadenzahl zur Verbesserung der Druckfestigkeit nur bis zur theoretisch maximalen Fadenzahl z·fmax theor möglich. Diese Lösung hat außerdem den Nachteil, dass bei Anbringung einer Armatur die Verstärkungslagen durch das Zusammenpressen der Armatur leicht auseinander gedrückt werden können, da sie nicht durch eine Flechtung gegenseitig abgestützt sind und so in der Armatur eine nachteilige Schwachstelle entsteht.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu Herstellung eines flexiblen Hochdruck-Dehnschlauches der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der bei höchsten Drücken mit Armierungen aus textilen Fasern auskommt, und sicher und ohne Schwächung der Armierung in Armaturen gefasst werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Armierungsgeflecht derart gewickelt wird, dass die textilen Fäden mit einer nennenswert grösseren Spannung im elastischen Bereich auf den Innenschlauch aufgewickelt werden, als mit der Spannung, die sich durch die übliche Auszugskraft aus den Spulen ergibt, wodurch die Einzelfäden einen Durchmesser annehmen, der kleiner als der Ausgangsdurchmesser sF0 ist, sodass mit einer Anzahl von Fäden gewickelt wird, die größer als die theoretische Fädigkeit ist, die Fädigkeit dadurch größer als die theoetische Fädigkeit wird und damit ein überfädiges Geflecht entsteht.
  • Die hierdurch erzielte Fädigkeit f, die größer ist als die theoretische Fädigkeit fmax theor, wird als Überfädigkeit bezeichnet.
  • Erfindungsgemäß liegen die Zugkräfte der Einzelfäden beim Wickeln des überfädigen Geflechtes bei Werten größer als 30 N.
  • Vorzugsweise finden textile Fäden mit hoher Reißdehnung im Bereich von 9 bis 30%, insbesondere von 14 bis 23% Verwendung.
  • Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass
    • – eine grössere Anzahl Fäden im Armierungsgeflecht Platz findet und damit auf teure hochfeste Fasern bzw. Metallfäden verzichtet werden kann,
    • – die Bedeckung des Innenschlauches so groß ist, dass die rautenförmigen freien Stellen des Geflechtes vollständig verschwinden und so die Gefahr von Durchschlägen minimiert ist,
    • – das Geflecht eine so hohe Dichte aufweist, dass es bei Anbringung einer Armatur nicht leicht durch das Zusammendrücken der Armatur auseinandergesprengt werden kann und so keine Schwachstelle in der Armatur auftritt,
    • – durch die elastische Rückfederung der Fäden, die Fadenbündel im Geflecht sehr gut fixiert sind und dadurch bei Biegung des Schlauches weniger Reibung zwischen den Fäden entsteht, was die Lebensdauer verbessert,
    • – durch die Vorspannung in den Fäden bei einem Druckimpuls im Schlauch die Fäden nur im vorgespannten elastischen Bereich beansprucht werden.
  • Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
  • 1 einen überfädigen Hochdruckdehnschlauch,
  • 2 einen Hochdruck-Dehnschlauch mit Armierungsgeflecht nach dem Stand der Technik als Prinzipdarstellung,
  • 3 die geometrischen Verhältnisse eines Armierungsgeflechtes nach dem Stand der Technik als Prinzipdarstellung,
  • 4 die Geometrie eines Schlauches zur Berechnung der Fädigkeit des Armierungsgeflechtes nach dem Stand der Technik als Prinzipdarstellung.
  • In 2 ist ein Hochdruckdehnschlauch 1 mit einem Armierungsgeflecht 2 nach dem derzeit bekannten Stand der Technik dargestellt. Das Armierungsgeflecht 2 wurde auf einem Innenschlauch 3 aus Gummi aufgewickelt. Der Durchmesser des Geflechtes d beträgt 16 mm, was einer Nennweite des Schlauches NW von 10 mm entspricht. Ein Außenmantel ist zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Der Geflechtswinkel wurde mit 52,2° eingestellt. Für das Geflecht wurden je Wickelrichtung zwölf Fadenbündel 4 mit jeweils drei Fäden 5 eingesetzt. Die Fadendicke sF beträgt 0,65 mm, die Vorspannung liegt bei ca. 15 N. Die theoretische Fädigkeit dieses Schlauches nach Gl. (VI)
    Figure 00080001
  • Der daraus resultierende Fadenabstand beträgt (fmax theor – f )·sF0 = (3,95 – 3)·0,65 ≈ 0,62
  • Die Geflechtsdichte ρG ist nach Gl. (VII)
    Figure 00090001
    d.h., der Innenschlauch ist zu 76% vom Geflecht bedeckt. Bei diesem Schlauch besteht bei hohen Drücken die Gefahr von Durchschlägen in den rautenförmigen geflechtsfreien Stellen.
  • 1 zeigt einen überfädigen Hochdruck-Dehnschlauch 8 mit den gleichen Abmessungen wie in 2. Hier wurden die Geflechtsfäden 5 jedoch mit einer Vorspannung von ca. 70 N aufgewickelt. Durch die bei dieser Vorspannung resultierenden Durchmesserverkleinerung der Fäden 5 passen nun fünf Fäden pro Fadenbündel 4 auf den Innenschlauch 2. Die theoretische Fädigkeit fmax theor ändert sich nicht, da zur Berechnung der Ausgangsfadendurchmesser sF0 herangezogen wird. Die Geflechtsdichte ρG ist nach Gl. (VII) nunmehr
    Figure 00090002
    d.h., der Innenschlauch ist vollständig vom Geflecht bedeckt, rautenförmige Freistellen treten nicht mehr auf.
  • Der Fadenabstand A berechnet sich nunmehr zu A = (3,95 – 5)·0,65 = –0,68
  • Der Berstdruck dieses Schlauches ist unter der Annahme, dass keine Durchschläge auftreten, durch die Verwendung von fünf statt drei Fäden pro Bündel, etwa um den Faktor 5/3 angestiegen.
    • 1
    Hochdruck-Dehnschlauch (Stand der Technik)
    2
    Armierungsgeflecht
    3
    Innenschlauch
    4
    Fadenbündel
    5
    Einzelfaden
    6
    Überfädiger Hochdruck-Dehnschlauch

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung eines flexiblen Hochdruck-Dehnschlauches aus elastomerem Werkstoff mit mindestens einem Innenschlauch aus elastomerem Werkstoff, mindestens einer Außenhülle aus elastomerem Werkstoff und zwischen Innenschlauch und Außenhülle mindestens einem Armierungsgeflecht, welches aus mindestens zwei Fadenbündeln auf den Innenschlauch gewickelt wird, wobei die als Fädigkeit bezeichnete Anzahl der Fäden pro Fadenbündel größer als eins ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Armierungsgeflecht derart gewickelt wird, dass die textilen Fäden mit einer nennenswert grösseren Spannung im elastischen Bereich auf den Innenschlauch aufgewickelt werden, als mit der Spannung, die sich durch die übliche Auszugskraft aus den Spulen ergibt, wodurch die Einzelfäden einen Durchmesser annehmen, der kleiner als der Ausgangsdurchmesser sF0 ist, sodass mit einer Anzahl von Fäden gewickelt wird, die größer als die theoretische Fädigkeit ist, die Fädigkeit dadurch größer als die theoretische Fädigkeit wird und damit ein überfädiges Geflecht entsteht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugkräfte der textilen Einzelfäden (5) des Armierungsgeflechtes (2) beim Wickeln des überfädigen Geflechtes Werte größer als 30 N aufweisen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reißdehnung der textilen Einzelfäden (5) des Armierungsgeflechtes (2) im Bereich von 9% bis 30% liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reißdehnung der textilen Einzelfäden (5) des Armierungsgeflechtes (2) im Bereich von 14% bis 23% liegt.
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