DE19830184A1 - Faltenbalg mit geraden Biegelinien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Faltenbalg aus Elastomeren,Thermoplasten oder anderen elastischen Werkstoffen und Verbundwerkstoffen zwischen elastischen und unelastischen Werkstoffen wie durch Verwendung von Gummi an der Biegestelle und steife Kunststoffolien oder Leichtmetallbleche für die Faltenseiten oder Glas- oder Kohlenstoff-faserverstärkte Verbundwerkstoffe, gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Ein Faltenbalg aus elastomeren Werkstoffen ist aus DE 41 15 446 bekannt. Diese Art Faltenbälge werden in großen Umfang zur dichtenden Kapslung des Übergangsbereichs zweier axial oder gelenkig miteinander verbundenen Bauteile verwendet, so daß verbundene Bauteile in den gekapselten Verbindungsbereichen sowohl ihren Abstand als auch die Winkellage ändern können. Dabei sind wegen des Aufbaus aus axial entgegengesetzt orientierten, hohl kegelstumpfförmigen Wandungsteilen hohe Spannungen und Verformungskräfte erforderlich, weil sich diese Faltenflächen hierbei in Form und Größe beim Auffalten verändern - z. B. von einer Kreisringfläche in eine Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Für gleiche Aufgaben in der Feinwerktechnik und Anwendungen mit innerer Druckbeaufschlagung z. B. als Stellglied und bei Pumpen sind solche hohen Verformungskräfte störend und sehr nachteilig, weil dadurch zumindest bei axialen und lateralen Auffaltungen hohe Federwirkungen auftreten und die Lebensdauer eingeschränkt wird.

Die Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Faltenbalg so zu gestalten, daß in diesem bei axialer und auch lateral er Faltung durch innen oder außen ansetzenden Zug- und Druckkräfte oder durch Volumen- oder Druckänderung der im Faltenbalg befindlichen oder umgebenden gasförmigen oder flüssigen Medien nur geringe Federwirkungen auftreten, weil die an der Faltung beteilig­ ten Flächen in Form und Größe unverändert bleiben und nur an den Biegekanten geringe Biegekräfte auftreten.

Diese Aufgabe wird gelöst, durch die erfindungsgemäße geometrische Gestaltung des Faltenbalges gemäß der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der erfindungsgemäße Faltenbalg eignet sich ganz besonders zu Anwendungen als Gasdruckfeder, Stellglied oder Pumpe, wobei der Faltenbalg beim Auffalten durch innere Druckbeaufschlagung Gasvolumina aufnimmt, ohne daß der Innendruck im Faltenbalg bedeutend über den herrschenden Außendruck ansteigt.

Dabei können aufgrund der erfindungsgemäßen Formgestaltung größte axiale und laterale Auffaltungen bei sehr hohen Lastwechselraten realisiert werden.

Im Gegensatz zum Stand der Technik bleiben beim erfindungsgemäßen Faltenbalg beim Auffalten alle den Faltenbalg bildenden Flächen Form und Größe im Faltbereich bis zur maximalen Auffaltung unverändert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind in den verschiedenen Beispielen mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt einen geschlossenen Faltenbalg auf der Grundlage eines regelmäßigen Sechs-Kants.

Fig. 2 zeigt den Schnitt C-D einer Eckfalte im aufgefalteten Zustand.

Fig. 3 zeigt den Schnitt A-B einer axialen Falte.

Fig. 4 zeigt die Vorderansicht eines aufgefalteten Faltenbalges mit regelmäßigen, sechskantigen Falteninnenraum.

Fig. 5 zeigt von Fig. 4 den Schnitt A-B im gefalteten Zustand.

Fig. 6 zeigt von Fig. 4 die Seitenansicht.

Fig. 7 zeigt von Fig. 4 den Schnitt A-B in gefalteten Zustand.

Fig. 8 zeigt einen erfindungsgemäßen Sechs-Kant-Faltenbalg im halbaufgefalteten Zustand.

Fig. 9 zeigt von Fig. 8 den maximal aufgefalteten Zustand (Fmax).

Fig. 10 zeigt die Draufsicht auf einen unregelmäßigen Sieben- Kant-Faltenbalg.

Fig. 11 zeigt die geometrischen Zusammenhänge zur Ableitung des Faktors (0,8165) zur Berechnung der maximalen Auffaltung in Abhängigkeit von der Seitenlänge (a) bei Anwendung von gleichseitigen Dreiecken (ABD).

Fig. 12 zeigt die Draufsicht auf einen maximal aufgefalteten Faltenbalg, bei dem die auf den Polygonenecken befestigten Dreiecke (ABD) sich in den Eckpunkten (D1A2) überdecken wodurch eine dreieckige Falte gebildet wird.

Fig. 1 zeigt eine geschlossene Falte eines regelmäßigen Sechs-Kant- Faltenbalgs, die aus Drei- und Vierecksflächen gemäß Anspruch 1 zusammengesetzt ist. Im geschlossenen Zustand liegen beide Falten eben aufeinander.

Die Verbindung zwischen den 6 Polygonecken (1-6) sind Geraden, die den Faltengrund (7) bilden. Die darüber liegenden parallelen oder schrägen Geraden bilden die Faltenscheitel (8). Durch die auf den Polygonenpunkten (1-6) stehenden gleichseitigen Dreiecke (ABD) werden Faltengrund (7) und Faltenscheitel (8) zu einem Viereck verbunden; wenn sich aber die Dreiecks­ punkte (A; D) mit denen (D, A) des Nachbardreiecks überlagern entstehen Dreiecke (B1, D1, B2).

Ausgehend von gleichseitigen Dreiecken (ABD) ergibt sich mit der Seitenlänge (a) und der im Schnitt C-D dargestellten geometrischen Zusammenhänge die maximale Faltung (Fmax) = 0,8165 multipliziert mit der Länge der Seite (a).

Bei der Auffaltung bleibt der Winkel zwischen den Schenkeln (AB-BD) konstant. Durch Wegnahme des Dreiecks (ACD) entstehen die Dreiecke ABC und (AB'C) sowie BCD und (B'CD). Die Werte in Klammer sind für die gegenüberliegende Faltenseite. Die maximale Auffaltung ergibt sich bei der Umformung der vorgenannten Dreiecke in die Dreiecke BEG und (B'EG bzw. BFG und (B'FG). Wobei sich der Punkt (C) bei der Auffaltung in Richtung G, also immer in der Symmetrieachse der Falte bewegt. Die maximale Auffaltung (Fmax) ist erreicht, wenn der Winkel zwischen den Schenkeln (EG-GF) ein rechter Winkel = 90° wird und dabei auf einem kongruenten, spiegelbildlich um 90° verdrehten Dreieck (B'GB = 90°), gemäß Fig. 2 zu stehen kommt. Von der Faltung aus Position, Falten aneinanderliegend, bis zur maximalen Auffaltung (Fmax) treten bei axialer Auffaltung ausschließlich Biegungen um gerade Linien auf, wobei sich die aus Drei- und Vierecksflächen zusammengesetzten Falten verschwenken und dabei Form und Größe beibehalten. Dadurch ergibt sich eine kraftsparende Funktion des Faltenbalges woraus sich eine hohe Lastwechselzahl bei langer Lebensdauer des Faltenbalges ableiten läßt.

Fig. 2 zeigt den Schnitt C-D aus Fig. 1. Hieraus ist gut zu erkennen, daß der gemeinsame Dreieckspunkt (C) der spiegelbildlich verbundenen Dreiecke (ABC) und (BCD) beim Auffalten in Richtung Polygon bis (G) wandert. Stellung (G) bilden die Schenkel B'G mit GB einen rechten Winkel.

Fig. 3 zeigt die gesamte Falte aus Fig. 1 aufgefaltet in einem Schnitt A-B. Hieraus st zu ersehen, daß die Innenabmessungen (S) des Faltenbalges bei Auffaltung konstant bleiben und nur die Außenabmessungen zwischen (S'min-S'max) verändert werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere 6-Kant-Falte in der Vorderansicht. Der regelmäßige Polygon (1-6), ein regelmäßiger 6-Kant, bildet den Innenraum des Faltenbalges.

Fig. 5 zeigt die Falte von Fig. 4 im Schnitt A-B aufgefaltet. Es ist hier dargestellt, daß die Biegekanten je nach Werkstoffart gerundet ausgeführt werden können.

Fig. 6 zeigt die aufgefaltete, links verschwenkte Seitenansicht Fig. 4.

Fig. 7 zeigt die zusammengelegte Falte im Verbund von 5 Falten. Anschlußteile wie Bunde oder Flansche sind nicht dargestellt.

Fig. 8 und 9 zeigen die Ausführung der in Fig. 4 dargestellten Faltenbalgs in kleinen Abmessungen in den Positionen halb bis ganz geöffnet.

Fig. 10 zeigt das Beispiel eines Faltenbalgs, der auf einem unregel­ mäßigen 7-Kant basiert.

Fig. 11 zeigt die Ableitung des Faktors, zur Berechnung der maximalen Auffaltung (Fmax) = 0.8165 multipliziert mit der Seitenlänge (a) bei Anwendung von gleichseitigen Dreiecken (ABD) als Faltenbestandteil.

Beim Auffalten verschwenken die Dreiecke ABC und DBC, d. h. der Punkt (C) läuft mit dem Faltenberg (8) und senkt sich dabei bis er die Position (G) einnimmt. Die Position G ist erreicht, wenn die Seiten (b) bzw. (b') einen rechten Winkel bilden. Bis zur maximalen Auffaltung bleiben dabei die Dreiecks- und Viereckflächen der Faltenseiten in Form und Größe konstant. Der Faltenwerkstoff wird dabei im Bereich bis zur maximalen Auffaltung nur an der Biegelinie auf Biegung beansprucht.

• 1) Aus Dreieck I. folgt: b = a/2 × 1/Cos 30°
• 2) Aus Dreieck II. folgt: χ = b' × Cos 45°
  wobei: b' = b
• 3) Aus den Fig. 1 bis 3 folgt: Fmax = 2χ
  Fmax = 0,8165 × a.

Fig. 12 zeigt anhand eines auf einem regelmäßigen 12-Kants aufgebauten Faltenbalges, daß bei entsprechender Geometrie, d. h. kleine Kantenlänge des Dreiecks (ABD) im Verhältnis zur Polygonenseiten, dreieckige Falten gebildet werden können, wenn sich die Dreieckspunkte (D1) mit den Nachbardreieckspunkten (A2) überlagern.

Der anhand der Figuren dargestellte Aufbau des erfindungsgemäßen Falten­ balgs erlaubt einen Faltungsablauf in den Grenzen "Falten geschlossen" bis "Falten maximal aufgefaltet", d. h. Auffaltung bis Fmax. Bei Anwendung von gleichseitigen Dreiecken (ABD) ergibt sich Fmax = 0,8165 multipliziert mit der Seitenlänge (a). Beim Falten des Faltenbalges innerhalb dieser Grenzen wird das Faltenmaterial an den Biegelinien durch Biegung beansprucht, wodurch geringe Zug- oder Druckkräfte bzw. geringe Druckunterschiede für den Faltvorgang erforderlich sind. Zur Anwendung als Stellglied erlaubt dieses Verhalten z. B., daß ein Meßtaster mit annähernd gleichen Innenüberdruck auf verschieden Meßtiefen angestellt werden kann.

Dieses materialschonendes Verhalten ergibt bei Erreichung hoher Faltungszahlen eine lange Lebensdauer für erfindungsgemäße Faltenbälge.

Claims (15)

1. Faltenbalg mit ausschließlich geraden Biegelinien aus elastomeren und anderen elastischen Werkstoffen, aus einer oder mehreren Faltungen (F1 . . . Fn) bestehend, bei dem der Innenraum durch regelmäßige Polygonen (Vielecken) dadurch gebildet wird, daß an die Polygonen vorzugsweise gleichgroße, gleichseitige Dreiecke mit einer Ecke angesetzt werden und deren anderen Ecken mit den Nachbardreiecken gerade verbunden werden, so daß sich Vierecke mit Parallelen zur Polygonenlinie ergeben, wodurch der polygonen­ förmige Innenraum der Faltenseite abwechselnd von gleichgroßen gleich­ seitigen Dreiecken im Wechsel mit Vierecksflächen umschlossen wird, wobei aus jeden gleichseitigen Dreieck (ABD) das äußere der der 3 kongruenten Dreiecke (ACD) entfernt wird wodurch zwei gleichschenklige Dreiecke (ACD und DBC) spiegelbildlich als Verbindung zwischen den Vierecksflächen ver­ bleiben, die sich bei der Auffaltung verdrehen, bis die äußere Dreieckslücke (EGF) im Scheitel einen rechten Winkel bildet und bis sich darunter ein 90° verschwenktes, zwischen den Schenkeln des Winkels BG-GB' gleich großes, spiegelbildliches Dreieck (BGB') bildet, wodurch gesichert ist, daß die Auffaltung zwischen (Fmin) und (Fmax) ausschließlich durch Biegung entlang gerader Linien, bei minimalen Kraftaufwand erfolgt wenn die maximale Auffaltung einer Falte (Fmax) bei 0,8165 (a), der Seitenlänge des Dreiecks (ABD) eingehalten wird.

2. Faltenbalg mit ausschließlich geraden Biegelinien aus Elastomeren und anderen elastischen Werkstoffen und Verbundwerkstoffen zwischen elastischen und unelastischen Werkstoffen, die aus einer oder mehreren Faltungen bestehen, bei dem der Faltengrund durch regelmäßige oder unregelmäßige, geschlossene oder offene Polygonen dadurch gebildet ist, daß an die Polygonenecken gleichseitige oder ungleichseitige Dreiecke mit einem Eckpunkt (B) angesetzt sind und deren beiden anderen Eckpunkte (A, D) mit den Eckpunkten (A, D) der Nachbardreiecke verbunden sind, die an weiteren Polygonenecken angesetzt sind, so daß sich Vierecke mit parallelen oder schräg zur Polygonenlinie verlaufenden Kanten oder Dreiecke ergeben, wodurch auf den Polygonenseiten befindliche Falten­ seiten im Wechsel aus Dreiecks- und Vierecks- oder Dreiecksflächen gebildet sind, wobei aus jedem Dreieck (ABD), das äußere der drei Innen- Dreiecke (ACD) entfernt ist, wodurch zwei Dreiecke (ABC und BCD) spiegelbildlich als Verbindung zwischen den Dreiecks- oder Vierecksflächen verbleiben, die nach der Auffaltung so verdreht sind, daß die äußere Dreieckslücke (EGF) bei Verwendung von gleichseitigen Dreiecken (ABD) im Scheitel einen rechten Winkel bildet und darunter ein 90° verschwenktes, zwischen den Schenkeln des Winkels BG-B'G gleichgroßes, rechtwinkliges, spiegelbildliches Dreieck (BGB') gebildet ist, wobei die Auffaltung zwischen geschlossener Falte und maximal aufgefalteter Falte ausschließlich durch Biegung über gerade Biegelinien, ohne Werkstoff­ verformung erfolgt ist, wenn der Bereich der maximaler Auffaltung durch Zug- oder Druckkraft in Faltungsrichtung oder durch Änderung der inneren oder äußeren Druckbeaufschlagung eingehalten ist, wobei alle den Faltenbalg bildenden Flächen in Form und Größe unverändert sind.

3. Faltenbalg nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Blas- oder Spritzformung aus thermoplastischen Werkstoffen hergestellt ist.

4. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er aus Einzelteilen zusammengesetzt ist, insbesondere zu Falten verschweißt oder verklebt ist.

5. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die drei- und viereckigen Faltenteile verbindende Dreiecksverbund (ABC, BCD) aus beliebigen Dreiecken erstellbar ist.

6. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekenn­ zeichnet, daß die über den Polygonenseiten der Faltengrunde stehenden Faltenscheitel (8) in beliebigen Winkel zu den, auf den Polygonenseiten stehenden Faltengrunde (7) ist und das Dreieck (ABD) in seinen Seitenlängen (a, b, d) zwischen einem Größt- und Kleinstmaß im Verband der Faltenflächen variiert, so daß der Faltenbalg bei der Auffaltung lateral oder kreisförmig, seitlich bei ausschließlich geradliniger Biegung, kraftarm faltbar ist.

7. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Querschnitt des von Polygonen gebildeten Falteninnenraumes bis zur maximalen Auffaltung (Fmax) = 0,8165 multipliziert mit der Seitenlänge (a) konstant bleibt und nur die Außenabmessung der Falten variieren zwischen S'max und S'min.

8. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auf- oder Zufaltung des Faltenbalgs durch Zug- oder Druck­ kräfte oder durch Volumen- oder Druckänderung im Inneren des Faltenbalgs befindlicher gasförmiger oder flüssiger Medien bzw. durch Volumen- oder Druckänderungen in umgebenden äußeren Medien erfolgen kann.

9. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Falten am Faltenberg (8) und im Faltengrund (7) direkt miteinander verbunden sind.

10. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Falten am Faltenberg (8) und im Faltengrund (7) mit parallelen oder schiefen Verbindungsstreifen aneinander befestigt sind.

11. Faltenbalg mit geraden Biegelinien, der aus einer oder mehreren Faltungen besteht, bei dem der Faltengrund durch Polygonen dadurch gebildet ist, daß an die Polygonenecken Dreiecke mit einem Eckpunkt (B) angesetzt sind und deren beiden anderen Eckpunkte (A, D) mit den benachbarten Eckpunkten (A, D) der Nachbardreiecke verbunden sind, so daß sich Vierecke mit parallel oder schräg zur Polygonenlinie verlaufenden Kanten oder Dreiecke ergeben, wodurch auf den Polygonenseiten befindliche Falten­ seiten im Wechsel aus Dreiecks- und Vierecks- oder Dreiecksflächen gebildet sind, wobei aus jedem Dreieck (ABD), das äußere der drei Innen- Dreiecke (ACD) entfernt ist, wodurch zwei Dreiecke (ABC und BCD) spiegelbildlich als Verbindung zwischen den Dreiecks- oder Vierecksflächen verbleiben, die durch das Auffaltung verschwenkt werden.

12. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er aus Elastomeren oder Thermoplasten oder anderen elastischen Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen aus elastischen und unelastischen Werkstoffen hergestellt werden kann.

13. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Faltengrund (7) durch regelmäßige oder unregelmäßige Polygone gebildet wird.

14. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die an den Polygonen mit Eckpunkt (B) angesetzten Dreiecke (ABD) gleichseitig oder ungleichseitig sein können und daß die durch die Entfernung des äußeren der drei Innendreiecke (ACD) gebildeten Dreiecke (ABC und BCD) gebildeten Dreiecke spiegelbildlich als Verbindung zwischen den aus Dreiecks- oder Vierecksflächen bestehenden Faltenseiten bleiben.

15. Faltenbalg mit geraden Biegelinien, der aus einer oder mehreren Faltungen besteht, die ihrerseits zwei Faltenseiten aufweisen und bei denen der Faltengrund (7) durch ein Polygon (Vieleck) gebildet ist, wobei an die Polygonenecken Vierecke mit einem Eckpunkt (B) angesetzt sind, in denen der Winkel an jener Ecke (C), welcher der Polygonenecke (B) gegenüberliegt, größer als 180° ist, und die beiden der jeweiligen Poly­ gonenecke (B) benachbarten Ecken (A; D) des Vierecks mit den entsprechenden benachbarten Ecken (D, A) der benachbarten Vierecke entweder zusammenfallen oder durch eine geradlinige Kante (8) verbunden sind, wobei die Faltenseiten abwechselnd am Polygon und an ihren äußeren Rändern miteinander verbunden sind.