DE19830184C2 - Faltenbalg mit geraden Biegelinien - Google Patents

Abstract

Faltenbalg mit ausschließlich geraden Biegelinien, bei dem der Falteninnenraum durch regelmäßige Polygonen dadurch gebildet wird, daß an die Eckpunkte der Polygonen gleichseitige Dreiecke mit ihren Spitzen angesetzt sind und deren Spitzen mit den Nachbardreiecken durch Geraden verbunden sind, so daß sich Vierecke mit parallel oder schrägen Linien zur Polygonlinie ergeben, wodurch der polygonförmige Falteninnenraum des Faltentals abwechselnd von gleichseitigen Dreiecken im Wechsel mit Vierecksflächen umschlossen wird, wobei die Dreiecke aus je drei kongruenten Teildreiecken bestehen und aus jedem gleichseitigen Dreieck (ABD) das äußere der drei kongruenten Teildreiecke (ACD) entfernt ist, wodurch zwei gleichschenklige Teildreiecke (ABC und BCD) spiegelbildlich als Verbindung zwischen den Vierecksflächen verbleiben, die sich bei der Auffaltung verdrehen, bis die äußere Dreieckslücke (EGF) im Scheitel einen rechten Winkel bildet und sich darunter ein 90 verschwenktes, zwischen den Schenkeln des Winkels BG-GB' gleich großes rechtwinkliges spiegelbildliches Dreieck (BGB) bildet, wobei die Auffaltung ausschließlich durch Biegung entlang gerader Linien, bei minimalem Kraftaufwand erfolgt, wenn die maximale Auffaltung einer Falte eingehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faltenbalg mit geraden Biegelinien.

Aus US 5,181,452 ist ein Faltenbalg bekannt, bei dem sich ungleichseitige Drei­ ecke an einen kreisförmigen Innenraum anschließen oder auch Vierecke an ein sternförmigen Polygoninnenraum anschließen. Aus JP 52-72 052 A2 sind Falten­ bälge bekannt, welche regelmäßige n-polygone als Innenflächen aufweisen, wo­ bei n-polygone verschiedener Ebenen gegeneinander verdreht sind.

Ein Faltenbalg aus elastomeren Werkstoffen ist aus DE 41 15 446 C1 bekannt. Die­ se Art Faltenbälge werden in großen Umfang zur dichtenden Kapslung des Über­ gangsbereichs zweier axial oder gelenkig miteinander verbundenen Bauteile ver­ wendet, 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 Ver­ formungskräfte 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 lateraler Faltung durch innen oder außen an­ setzenden 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 beteiligten Flächen in Form und Größe unverändert bleiben und nur an den Biegekanten geringe Bie­ gekräfte auftreten.

Diese Aufgabe wird gelöst, durch die erfindungsgemäße geometrische Gestal­ tung 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 Innen­ druck 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 Falten­ balg 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 Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind in den verschiedenen Beispielen mit übereinstimmen­ den Bezugszahlen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt einen geschlossenen Faltenbalg auf der Grundlage eines re­ gelmäßigen 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 regel­ mäßigen, 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 halbauf­ gefalteten 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 Dreiec­ ken (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 Fal­ te gebildet wird.

Fig. 1 zeigt eine geschlossene Falte eines regelmäßigen Sechs-Kant-Falten­ balgs, 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 Fal­ tengrund (7) bilden. Die darüber liegenden parallelen oder schrägen Geraden bil­ den 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 Dreieckspunkte (A; D) mit denen (D, A) des Nachbardreiecks überlagern entstehen Dreiecke (B1, D1, B2).

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 vorge­ nannten 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 Symmetrie­ achse der Falte bewegt. Die maximale Auffaltung (Fmax) ist erreicht, wenn der Winkel zwischen den Schenkeln (EG-GF) ein rechter Winkel = 90° wird und da­ bei auf einem kongruenten, spiegelbildlich um 90° verdrehten Dreieck (B'GB = 90°), gemäß Fig. 2 zu stehen kommt. Von der Faltung aus Position, Falten an­ einanderliegend, bis zur maximalen Auffaltung (Fmax) treten bei axialer Auffal­ tung 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) wandet Stellung (G) bil­ den die Schenkel B'G mit GB einen rechten Winkel.

Fig. 3 zeigt die gesamte Falte aus Fig. 1 aufgefaltet in einem Schnitt A-B. Hier­ aus ist zu ersehen, daß die Innenabmessungen (S) des Faltenbalges bei Auffal­ tung 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 Po­ lygon (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 darge­ stellt, 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 unregelmäßigen 7-Kant basiert.

Fig. 11 zeigt die Ableitung des Faktors, zur Berechnung der maximalen Auffal­ tung (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) ein­ nimmt. 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 Bie­ gung beansprucht.

• 1. Aus Dreieck I. folgt: b = a/2 × 1/Cos30°
• 2. Aus Dreieck II. folgt: χ = b' × Cos45°
  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 Fal­ tenbalges, daß bei entsprechender Geometrie, d. h. kleine Kantenlänge des Drei­ ecks (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 Faltenbalgs 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 Meßta­ ster mit annähernd gleichen Innenüberdruck auf verschieden Meßtiefen ange­ stellt werden kann.

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

Claims (12)

1. Faltenbalg mit ausschließlich geraden Biegelinien aus einer oder mehreren Faltungen (F1. .Fn) bestehend, bei dem der Falteninnenraum durch regelmä­ ßige Polygonen (Vielecken) dadurch gebildet wird, daß an die Eckpunkte der Polygonen gleichseitige Dreiecke mit ihren Spitzen angesetzt sind und deren andere Spitzen mit den Nachbardreiecken durch Geraden verbunden sind, so daß sich Vierecke mit Parallelen oder schrägen Linien zur Polygonenlinie er­ geben, wodurch der polygonenförmige Falteninnenraum des Faltentals ab­ wechselnd von gleichgroßen oder unterschiedlich großen gleichseitigen Drei­ ecken im Wechsel mit Vierecksflächen umschlossen wird, wobei die Dreiecke aus je drei kongruenten Teildreiecken bestehen und aus jedem gleichseitigen Dreieck (ABD) das äußere der drei kongruenten Teildreiecke (ACD) entfernt ist wodurch zwei gleichschenklige Teildreiecke (ACB und DBC) spiegelbild­ lich als Verbindung zwischen den Vierecksflächen verbleiben, 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, rechtwinkeliges spiegel­ bildliches Dreieck (BGB') bildet, wobei die Auffaltung zwischen (Fmin = ge­ schlossen) und (Fmax = aufgefaltet) ausschließlich durch Biegung entlang gerader Linien, bei minimalen Kraftaufwand erfolgt, wenn die maximale Auf­ faltung einer Falte (Fmax) bei 0,8165 (a), der Seitenlänge des Dreiecks (ABD) eingehalten wird.

2. Faltenbalg mit ausschließlich geraden Biegelinien aus einer oder mehreren Faltungen (F1. .Fn) bestehend, bei dem der Falteninnenraum durch regelmä­ ßige oder unregelmäßige, geschlossene oder offene Polygonen (Vielecken) dadurch gebildet wird, daß an die Eckpunkte der Polygonen gleichseitige Dreiecke mit ihren Spitzen angesetzt sind und deren andere Spitzen mit den Nachbardreiecken direkt verbunden sind, so daß sich Dreiecke mit Grundlinien zur Polygonenlinie ergeben, wodurch der polygonenförmige Fal­ teninnenraum des Faltentals abwechselnd von Dreiecken umschlossen wird, wobei die an ihren Spitzen mit den Polygoneckpunkten verbundenen Dreiec­ ke aus je drei kongruenten Teildreiecken bestehen und aus jedem gleichseiti­ gen Dreieck (ABD) das äußere der drei kongruenten Teildreiecke (ACD) ent­ fernt ist wodurch zwei gleichschenklige Teildreiecke (ACB und DBC) spiegel­ bildlich als Verbindung zwischen den Vierecksflächen verbleiben, die sich bei der Auffaltung verdrehen, bis die äußere Dreieckslücke (EGF) im Scheitel ei­ nen rechten Winkel bildet und bis sich darunter ein 90° verschwenktes, zwi­ schen den Schenkeln des Winkels BG-GB' gleich großes, rechtwinkeliges spiegelbildliches Dreieck (BGB') bildet, wobei die Auffaltung zwischen (Fmin = geschlossen) und (Fmax = aufgefaltet) ausschließlich durch Biegung ent­ lang gerader Linien, bei minimalen Kraftaufwand erfolgt, wenn die maximale Auffaltung einer Falte (Fmax) bei 0,8165 (a), der Seitenlänge des Dreiecks (ABD) eingehalten wird.

3. 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 Faltenseiten im Wechsel aus Dreiecks- und Vierecks- oder Dreiecksflächen gebildet sind, wobei aus jedem Dreieck (ABD), das äußere dar drei Innen-Dreiecke (ACD) entfernt ist, wo­ durch zwei Dreiecke (ABC und BCD) spiegelbildlich als Verbindung zwischen den Dreiecks- oder Vierecksflächen verbleiben, die durch die Auffaltung ver­ schwenkt werden.

4. Faltenbalg mit geraden Biegelinien, der aus einer oder mehreren Faltungen besteht, die ihrerseits zwei Faltenseiten aufweisen und bei denen der Falten­ grund (7) durch ein Polygon (Vieleck) gebildet ist, wobei an die Polygonenec­ ken Vierecke (ABDC) nur 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 Polygonenecke (B) benach­ barten Ecken (A; D) des Vierecks mit den entsprechenden benachbarten Ec­ ken (D, A) der benachbarten Vierecke entweder zusammenfallen, oder durch eine geradlinige Kante (8) verbunden sind, wobei die Faltenseiten abwech­ selnd am Polygon und an ihren äußeren Rändern miteinander verbunden sind.

5. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er aus Elastomeren oder Thermoplasten oder Verbundwerk­ stoffen, welche Elastomere oder Thermoplaste enthalten, hergestellt werden kann.

6. Faltenbalg nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß er durch Blas- oder Spritzformung aus thermoplastischen Werkstof­ fen hergestellt ist.

7. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er aus Einzelteilen zusammengesetzt ist, die zu Falten ver­ schweißt oder verklebt sind.

8. Faltenbalg nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der die drei- und viereckigen Faltenteile verbindende Dreiecks­ verbund (ABC, BCD) aus gleichschenkligen Dreiecken erstellbar ist.

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

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

11. Faltenbalg nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Falten am Faltenberg (8) und im Faltengrund (7) mit parallelen oder schiefen Verbindungsstreifen aneinander befestigt sind.

12. Faltenbalg nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Poly­ gonen (7) mit Eckpunkt (B) angesetzten Dreiecke (ABD) gleichseitig oder un­ gleichseitig sind.