DE19509491A1 - Rollmembran - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Rollmembran aus zumindest einem abdichtenden Material zur Anbringung zwischen einem zylinderförmigen Körper und einem den zylinderförmigen Körper umgebenden hohlzylinderförmigen Körper, zwischen welchen eine Relativbewegung in einer Achse erfolgt.

Nach dem bekannten Stand der Technik wird eine Rollmembran aus einem flachen Stück kreuzförmigen Gewebes mit einer ein- oder beiderseitigen Gummibeschichtung hergestellt, wobei der bewegliche Teil der Rollmembran in axialer Richtung stark gewölbt wird.

Diese Rollmembranen haben den Nachteil, daß beim axialen Verschieben der Membran Bereiche vom inneren Durchmesser zum äußeren verlagert werden und umgekehrt, wobei speziell die in Umfangsrichtung verlaufenden Faseranteile und das Gummi gedehnt und/oder gestaucht werden. Hierfür ist äußere Arbeit notwendig, die sich dadurch bemerkbar macht, daß erhebliche Kräfte zum Verstellen der Membran nötig werden. Außerdem entsteht durch Reibungen des Gummis an den Wandungen und den Umfangsfasern Reibung, welche zu einer Hysterese der Membran führen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Rollmembran zu finden, welches keine Hysterese aufweist und keine störenden axialen Stellkräfte benötigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Rollmembran nach dem kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäße Rollmembran wird nicht als deformierte Flachmembran hergestellt, sondern als Schlauch. Dieser Schlauch wird erst bei der Montage axial gestülpt. Hierdurch wird die Arbeit, die im Stülpwulst enthalten ist, bereits bei der Montage in die Membran hineingebracht und nicht erst bei der Betätigung durch die axialen Verschiebung der beiden Teile, zwischen welchen die Membran angebracht ist.

Die Vermeidung der Stülparbeit bei der Betätigung gelingt nur, wenn man für eine rein axiale Ausrichtung des versteifenden Gewebes sorgt. Dann liegen keine Fäden in Umfangsrichtung, welche bei der Betätigung gedehnt oder gestaucht werden müßten, sondern alle Fasern werden lediglich axial abgerollt. An den beiden Enden werden die Fasern bei der Membranherstellung vorteilhafter weise radial nach innen beziehungsweise radial nach außen gebogen. Die notwendige Stülparbeit wird bereits bei der Montage einmalig in die Membran eingebracht und bleibt danach unverändert.

Als Fasern kommen Fasern mit einem hohen E-Modul in Frage. Dies ist insbesondere bei Kohlefasern und Kevlarfasern der Fall. Dabei werden vorteilhafter weise alle Fasern in der dem Druck abgewandten Seite der Membran angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß die sich relativ zueinander bewegenden Wände der Kammer nicht direkt mit der Beschichtung (hier eignet sich insbesondere zur Flüssigkeitsabdichtung Gummi) in Kontakt kommen. Damit kann man dann einen weiteren Beitrag zur Verringerung der Reibung erzielen.

Die Erfindung wird nachstehend in beispielhafter Weise anhand von Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere wesentliche Merkmale sowie dem besseren Verständnis dienende Erläuterungen und Ausgestaltungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens beschrieben sind.

Dabei zeigen:

Fig. 1 den Rollmembran direkt nach der Herstellung im noch nicht eingebauten Zustand;

Fig. 2 den Rollmembran aus Fig. 1 im eingebauten Zustand zwischen einem Zylinder und einem Hohlzylinder; und

Fig. 3 eine Aufsicht auf Fig. 2.

Die in der Fig. 1 dargestellte Rollmembran (1) hat im entspannten Zustand nach dem Herstellungsprozeß die Form eines Zylinderrings (1a) mit oberen und unteren Wülsten (1b, 1c). Sie besitzt am Zylinderring (1a) rechteckig angesetzte, senkrecht zur axialen Achse (5) orientierte gerade Verlängerungsstücke (1bb, 1cc), wobei das obere Verlängerungsstück (1bb) zur axialen Achse (5) hin und das untere Verlängerungsstück (1cc) von der axialen Achse (5) weg orientiert ist.

Die Höhe (10 _p) der Wülste (1b, 1c) mit ihren im Querschnitt senkrecht auf den Wülsten (1b, 1c) ausgebildeten Abflachungen (10b, 10f) ergibt sich aus der geometrischen Gestalt der Hohl­ räume (2a, 3a) im Inneren des zylinderförmigen Körpers (3) bzw. des hohlzylinderförmigen Körpers (2) (siehe Fig. 2), wobei sowohl oberhalb der Abflachungen (10b, 10f) sowie auf der von der Achse (5) abgewandten Seite der Wülste (1b, 1c) bis zu den Begrenzungswänden der Hohlräume (2a, 3a) noch ein Freiraum verbleiben sollte.

Die Rollmembran (1) in Fig. 1 besitzt einen Innendurchmesser (10a) und einen Außendurchmesser (10g), deren Differenz (10 _n) durch die Dicke der Rollmembran (1) gegeben ist. Die Rollmembran (1) selber ist aufgebaut aus einer äußeren Gewebeschicht (1aa), welches die Rollmembran (1) versteift. Innen auf dieser Gewebeschicht (1aa) befindet sich eine Beschichtung (1ab) aus Gummi.

Die dünne Gewebeschicht (10g) besteht aus Fasern mit einem möglichst hohen E-Modul, welche aber gegenüber einer Verbiegung einen möglichst kleinen Widerstand besitzen und auch einen möglichst kleinen Biegeradius erlauben.

Als Fasern für das Gewebe (10g) eignen sich insbesondere Kohlefasern (E-Modul ∼ 220.₀₀₀ MPa) und Kevlarfasern (E-Modul zwischen 50₀₀₀ und 120.₀₀₀ MPa). Alle Fasern der Gewebeschicht sind im Zylinderring (1a) der Rollmembran (1) ausschließlich axial angeordnet.

Da die in Fig. 1 dargestellte Rollmembran (1) insbesondere gegen Flüssigkeiten z. B. (Hydraulik-Flüssigkeiten) undurchlässig sein soll, wurde als Beschichtungsmaterial (1ab) Gummi gewählt, welches bei einer Beschichtungsdicke von einigen Zehntel Millimeter die notwendige Flüssigkeitsundurchlässigkeit ermöglicht. Das Beschichtungsmaterial (1ab) sollte möglichst weich sein, damit es einer Verformungsarbeit einen möglichst geringen Widerstand entgegenbringt. Die aufzunehmenden Kräfte durch das Rollmembran (1) werden fast ausschließlich durch das verstärkende Gewebe (1aa) aufgefangen.

Das Beschichtungsmaterial (1ab) sollte möglichst dünn auf die Gewebeschicht (1aa) aufgetragen werden, da die Beschichtung (1ab) bei der späteren Nutzung einer relativ starken Verformung und damit Arbeit unterworfen ist. Andererseits darf die Dicke des Beschichtungsmaterials (1ab) nicht zu dünn gewählt werden, da sich das Beschichtungsmaterial (1ab) bei der Benutzung der Rollmembran (1) von einem inneren Durchmesser zu einem äußeren Durchmesser verändern muß und dabei nicht einreißen darf.

Das Beschichtungsmaterial (1ab), welches mit dem abzudichtenden Material in direkten Kontakt tritt, muß so ausgewählt werden, daß es von dem abzudichtenden Material nicht angegriffenen wird und seine Elastizität bei längerer Nutzungsdauer nicht verliert.

Der freie Durchmesser (10c) der oberen Wulst (1b) ist so groß, daß die Wulst (1b) beim Einbau der Rollmembran (1) zwischen den Zylinder (3) und den Hohlzylinder (2) in Fig. 2 gestaucht wird.

Demhingegen ist der freie Durchmesser (10h) der unteren Wulst (1c) so groß, daß die Wulst (1c) bei der Montage der Rollmembran (1) zwischen den Zylinder (3) und den Hohlzylinder (2) in Fig. 2 gedehnt wird.

Die Länge (10k, 10i) der seitlichen Verlängerungsstücke (1bb, 1cc) sind auf die Längen (2g, 3g) der kreiszylinderförmigen Öffnungen (2c, 3c) im Zylinder (3) und dem Hohlzylinder (2) abgestimmt, wobei diese Öffnungen die inneren Hohlräume (2a, 3a) zur Aufnahme der Wülste (1b, 1c) mit dem hohlkreiszylinder­ förmigen Hohlraum (4) in Fig. 2 verbinden.

Die Länge (10m) des Zylinderrings (1a) des Rollmembrans (1) ist abzustimmen mit der erforderlichen Verfahrstrecke in axialer Richtung (5) des Zylinders (3) relativ zum Hohlzylinder (2).

Der innere und äußere Durchmesser (10 _a und 10 _g) ist so gewählt, daß der mittlere Durchmesser (10 _e) der Rollmembran (1) im entspannten, noch nicht eingebauten Zustand genau in der Mitte des Spaltes (4) zwischen dem Zylinder (3) und dem Hohlzylinder (2) liegt (siehe auch Fig. 2).

In Fig. 2 ist nun das Rollmembran (1) im eingebauten Zustand dargestellt. Der Zylinder (3) und der in umgehende Hohlzylinder (2) bestehen aus einem oberen (2aa, 3aa) und einem unteren (2ab, 3ab) Teil, welche an einer Verbindungslinie (2d, 3d) zusammengefügt sind. Diese Trennung in jeweils zwei Hälften des Zylinders (3) und des Hohlzylinders (2) erleichtern die Montage der Rollmembran (1).

Aus der Differenz des äußeren Durchmessers (3e) des Zylinders (3) und des inneren Durchmessers (2e) des Hohlzylinders (2) ergibt sich die Breite (4c) des umlaufenden Spalts (4) zwischen den beiden Körpern (2, 3).

Die inneren Hohlräume (2a, 3a) besitzen eine Keilform (2b, 3b) zum Spalt (4) hin, welche der Keilform der Wülste (1b, 1c) entspricht. Dadurch wird ein sicherer Halt der Wülste (1b, 1c) in den Hohlräumen (2a, 3a) sichergestellt.

Die Rollmembran (1) teilt den Spalt (4) in einen oberen (4b) und einen unteren (4a) Teil. Im unteren Teil (4a) befindet sich die abzudichtende Flüssigkeit (z. B. Hydrauliköl). Diese Flüssigkeit steht nur mit der Beschichtung (1ab) auf dem versteifenden Gewebe (1aa) in Verbindung, nicht aber mit dem versteifenden Gewebe (1aa) selber.

Demhingegen kommen die Wände (2f, 3f) des Hohlzylinders (2) und des Zylinders (3) nicht mit der Beschichtung (1ab), sondern nur mit dem Gewebe (1aa) in Kontakt. Der Durchmesser (4c) des Spalts (4) ist so bemessen, daß die Beschichtungen (1ab) des eingelegten Rollmembrans (1) bei einer Lageveränderung, sprich bei einer axialen Bewegung des Zylinders (3) auf der axialen Achse (5) niemals gegeneinanderreiben.

Das versteifende axial orientierte Gewebe (5) rollt an den Wänden (2f, 3f) der Körper (2, 3) ab, so daß als Reibung nur Haftreibung auftritt. Die Fasern des Gewebes (5) sind alle axial orientiert, so daß sie nie gedehnt oder gestaucht werden.

Das Rollmembran (1) ist somit um den ganzen Zylinder (3) angebracht und verhindert einem Austritt der Hydraulik­ flüssigkeit aus dem unteren Spaltbereich (4a) in den oberen Spaltbereich (4b).

Wie in Fig. 3 zu sehen ist, werden die Gewebefasern (1aa) nie gedehnt oder gestaucht, wenn sich der Zylinder (3) in der Achse (5) bewegt. Lediglich der Raum zwischen den Fasern (1aa) vergrößert bzw. verkleinert sich, je nachdem, ob das Rollmembran (1) sich dem kleineren oder größeren Kreisdurchmesser des Spalts (4) anpassen muß. Je kleiner also die Breite (4c) des Spalts (4) ist, um so weniger muß die Beschichtung (1ab) gedehnt bzw. gestaucht werden und umso geringer ist die zur Zylinderbewegung aufzuwendende Kraft. Durch die Verwendung eines möglichst weichen Beschichtungsmaterials (1ab) wird dies unterstützt.

Die Dehnung des Raumes zwischen dem Gewebe (1aa) bei einer Bewegung des Zylinders (3) im Hohlzylinder (2) ist sehr gering und als unkritisch anzusehen, da die primären Kräfte durch die Hydraulikflüssigkeit im unteren Spaltbereich (4a) primär in axialer Richtung wirken und von dem Gewebe (1aa) aufgefangen werden.

Dabei muß aber, in Abstimmung mit der Spaltbreite die Dicke der Beschichtung (1ab) (mit den dem Beschichtungsmaterial immanenten Materialeigenschaften) so gewählt werden, daß es nie zu einem Riß im Beschichtungsmaterial kommt. Auch hier hilft eine möglichst geringe Spaltbreite.

Derartige Rollmembrane sind einsetzbar um alle zylinderförmigen Körper in hohlzylinderförmigen Körpern, bei welchen der zylinderförmige Körper sich in axialer Richtung begrenzt bewegen können muß. Dies ist insbesondere der Fall bei Lagerungselementen, welche insbesondere bei astronomischen Spiegel verwendet werden. Allerdings soll die Erfindung nicht nur auf derartige Lagerungen begrenzt sein.

Claims (16)

1. Rollmembran (1) aus zumindest einem abdichtenden Material zur Anbringung zwischen einem zylinderförmigen Körper (3) und einem den zylinderförmigen Körper (3) umgebenden hohlzylinderförmigen Körper (2), zwischen welchen eine Relativbewegung in einer Achse (5) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollmembran (1) im entspannten Zustand ein Schlauch ist, welcher erst bei der Montage zwischen den zylinderförmigen Körper (3) und den hohlzylinderförmigen Körper (2) axial gestülpt wird.

2. Rollmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rollmembran (1) an seinen beiden Enden jeweils eine Wulst (1b, 1c) ausgebildet ist.

3. Rollmembran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Wulst (1b, 1c) am Rollmembran (1) keilförmig ist, wobei die Keile im gestülpten Zustand zueinander weisen.

4. Rollmembran nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rollmembran (1) mindestens eine Beschichtung (1ab) angebracht ist und daß auf der Beschichtung (1ab) ein versteifendes Gewebe (1aa) angebracht ist.

5. Rollmembran nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe (1aa) nur einseitig beschichtet ist und daß das Gewebe (1aa) an den Wänden (3f, 2f) des zylinderförmigen Körpers (3) und des hohlzylinderförmigen Körpers (2) im eingebauten Zustand der Rollmembran (1) anliegend ist.

6. Rollmembran nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Gewebes (1aa) des Rollmembrans (1) ausschließlich axial von Wulst (1b) zu Wulst (1c) und nicht in Umfangsrichtung des Rollmembrans (1) orientiert sind.

7. Rollmembran nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Gewebes (1aa) des Roll­ membrans (1) an den beiden Enden (1b, 1c) an den Wulsten (1b, 1c) radial nach innen bzw. radial nach außen gebogen sind.

8. Rollmembran nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Gewebes (1aa) des Roll­ membrans (1) ein hohes E-Modul ausweisen.

9. Rollmembran nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Gewebes (1aa) des Roll­ membrans (1) aus Kohlefasern sind.

10. Rollmembran nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Gewebes (1aa) des Roll­ membrans (1) aus Kevlarfasern sind.

11. Rollmembran nach einem der Ansprüche 4-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Gewebes (1aa) in der Außenzone des Rollmembrans (1) angeordnet sind.

12. Rollmembran nach einem der Ansprüche 4-11, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Beschichtung (1ab) des Rollmembrans (1) Gummi verwendet ist.

13. Rollmembran nach einem der Ansprüche 4-12, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Wände (3f) des zylinder­ förmigen Körpers (3) und die innere Wand (2f) des hohlzylinderförmigen Körpers (2) und/oder die Fasern des Gewebes (1aa) des Rollmembrans (1) in Faserrichtung einen sehr geringen Reibungswiderstand, insbesondere Haftwider­ stand besitzen.

14. Rollmembran nach einem der Ansprüche 4-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand das Materials der Beschichtung (1ab) des Rollmembrans (1) hinsichtlich Stauchung möglichst gering ist.

15. Rollmembran nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (10n) des Rollmembrans (1) weniger als die Hälfte der Breite (4c) des Spaltes (4) zwischen dem zylinderförmigen Körper (3) und dem hohlzylinderförmigen Körper (2) ist.

16. Rollmembran nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß das Rollmembran (1) in mindestens einem Unterstützungselement eines astronomischen Spiegels eingebaut ist.