DE2611715B2

DE2611715B2 - Aufblasbare, in drucklosem zustand praktisch ebene, als krafterzeuger verwendbare folienzelle

Info

Publication number: DE2611715B2
Application number: DE19762611715
Authority: DE
Original assignee: Inventa AG für Forschung und Patentverwertung, Zürich, Zürich (Schweiz)
Priority date: 1975-03-20
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1978-02-02
Also published as: GB1544714A; CH589232A5; FR2306353B1; DE2611715C3; JPS51145915A; FR2306353A1; DE2611715A1

Description

Die Erfindung betrifft eine aufblasbare, in drucklosem Zustand praktisch ebene, als Krafterzeuger verwendbare Folienzelle. r>

Es sind bereits verschiedene Konstruktionen von Folienzellen-Krafterzeugern bekannt, welche grundsätzlich in zwei Gruppen unterteilt werden können: Die eine Gruppe umfaßt Folien/.cllen, die meist membranartig eingespannt und jedenfalls nicht freiliegende Ränder 4ii aufweisen. Eine Expansion bei solchen Zellen kann nur durch Strecken der Folienwand erfolgen. Die damit verbundenen Probleme sind der Hauptgrund, daß solche Zellen nicht über ein Versuchsstadium hinausgehen konnten. -r,

Die andere Gruppe beinhaltet die Folienzellen mit mindestens teilweise freiliegendem Rand, wodurch diese, mindestens in beschränktem Bereich, eine blasenartige Form annehmen können.

Eine solche Folienzelle ist aus der DT-OS 23 47 133 w bekannt.

Nachteilig ist bei diesen Folien/eilen, daß die Folien bei ihrer Verformung einer relativ starken Beanspruchung unterworfen werden, die schließlich zu einem Zerreißen der im allgemeinen aus Kunststoff bestehen- y, den Folien führen kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Folienzelle der angegebenen Galtung zu schaffen, mit der sich die Bean:>pn.ichung der Folien verringern läßt. ho

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an deren in einer Ebene rechtwinklig zur Richtung der zu erzeugenden Kraft liegenden Umfang mindestens eine konkave Konlursielle vorhanden ist, um bei aufgeblasener Zelle infolge Umfangsverkürzung entstehende t,^r> Druckspannungen zu reduzieren oder zu vermeiden.

Die mit der Erfindung erziehen Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß durch die beanspruchte Ausgestaltung des Umfangs mit konkaven Konturstellen die Knickstellen vermieden werden können, die sonst zur schnellen Beschädigung, d. h. zu Brucherscheinungen der Folie führen. Dadurch läßt sich wiederum die Lebensdauer einer solchen Folienzelle verlängern, wodurch sich neben den durch die längere Nutzungszeit en eichten Einsparungen auch Einsparungen an Montage- und Wartungsarbeilen ergeben.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden anschließend anhand von Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. I eine Darstellung einer runden Folienzelle in aufgeblasenem (expandiertem) Zustand,

F i g. 2 die Folienzelle nach F i g. I in leerem Zustand,

Fig. 3 die Spannungsverteilung an der freigespannten Krümmung einer perspektivisch dargestellten Folienzelle nach Fig. 1,

Fig.4 eine bei einem Axialmotor angewandte Sektor-Walkzelle,

Fig. 5 eine Sektor-Walk/eile mit Konvex-Konkav-Nahtform,

Fig. 6 eine Sektor-Walkzelle mit wellenförmiger Naht,

Fig. 7 eine Sektor-Walkzelle mit kombinierter Nahl^forrn nach der F i g. 5 bzw. 6.

Anhand der Fig. 1—3 werden grundsätzliche Betrachtungen angestellt. Die Fig. 1 und 2 zeigen eine kreisrunde Folienzelle I in flachem, praktisch ebenen Zustand und im aufgeblasenen Zustand. Damit der Arbeitsdruckbereich der Zelle 1 gegenüber dem zur Verformung nötigen Minimaldruck möglichst hoch liegt, wird zur Herstellung der Zelle eine möglichst zugfeste Folie gewählt. Der diesbezüglichen Möglichkeit wird durch die beim Aufblasen am Außendurchmesser 2 der Zelle I entstehende Folienstauung infolge zwangsartiger Verkürzung der Umfangslänge, Grenzen gesetzt, da demzufolge am Außenrand der Zelle Knickstellen entstehen.

Wenn man eine konstant bleibende, nicht streckbare Oberfläche annimmt, so ist die am größten Durchmesser der Zelle I entstehende Folienüberlänge proportional zu der Durchmesserveränderung.

Mit den Beziehungen gemäß den F i g. 1 und 2 ist

A =

	"2	D	mit r = H/2,	(1)
D₂	=	_D	— r ■ ί ,	(2)
D_x	_	₂ + 2r.	(3)

Die Umfangsdiffcrenz für den ungespannten und den gespannten Zustand wird:

I U =

(4)

oder U - ^iB-D₁X ₌ D _, (5)

^U™< - ■"" .τ D₁ D₁ ' ·

F i g. 3 zeigt die Beanspruchung der Folienzelle bzw. des freigespannten Folienteils derselben.

Die Beanspruchung des freigespannten ungehinderten Folicnteils der Folienzelle setzt sich aus drei Belastungsarten zusammen. Die eine ist der zur Folieriwand senkrecht gerichtete Druck des Druckme-

diiinis, welches uuf cine Einheitsbreiie ilcr I'olienwand bezogen, eine Tangentialkraft von

Hp

P. =

erzeugt (z. I). kp/cin).

Die zweite Belastungsart ist c'L' tangential zur Polarachsc P der Folienzelle gerichtete Kraft /',_■ (rechtwinklig zu P,). Sie würde bei gänzlich frei gespannter Zelle die eigentliche Hauptbelastung darstellen. Tutsächlich kann sie jedoch aus dieser Belastung infolge der Reibung an den aktiven Flächen »;i« und »Im und der Folienstraffung durch /', keine bedeutende Größe erreichen, sondern höchstens einen Wen von

D₁

Die gleiche Beziehung ergibt sich, wenn man das Verhältnis der Kräfte für eine freie Oberfläche einer homogenen Flüssigkeit berechnet.

Es ist daher offensichtlich, da(3 beim Aufblasen einer derartig frei deformierbaren Zelle der bisher größte Durchmesser kleiner wird. Dies bedingt ein Ausbrechen des Unifanges, da die ursprüngliche Unifangslänge nicht verändert werden kann aufgrund der Tatsache, daß das Übermaß nicht verschwinden kann. Da bei der Hubhöhe »Null« z. B. im überdrucklosen Ruhezustand, in welchem die Zelle schlaff ausgebreitet ist, der Umfang am größten ist, können nur ins Zelleninnere wirkende Druckkräfte, wie sie in der Hülle selbst auftreten, diesen Umfang ändern, denn innere, nach außen wirkende Kräfte (p>0) verkürzten den Umfang offensichtlich (Fig. 1). Daher wird die Umfangslinic unter diesen Kräften in der Zellenhülle nach innen ausgetrieben, um die ursprüngliche Umfangslänge wieder herzustellen. Dieses Verhalten ist eindeutig am Objekt nachweisbar.

Diese Verhältnisse zeigen, daß einer aus Umfangsüberlängen entstehenden Foüen-Druekkraft P,_t keine äquivalenten Kräfte, d. h. weder P₁₂ noch P,, entgegenwirken, wodurch mit dem Wachsen der momentanen Hubhöhe H immer stärkere und/oder häufigere Einknickstellen entstehen. Diese Knickstellen können zur schnellen Beschädigung, d. h. Brucherscheinungen der Folien führen. Sie bilden sich normalerweise an den schwächsten Stellen der Folie in dem Bereich, wo die größten Überlängen auftreten. Der Verlauf der Kräfte P₁₂ und P_n wie sie sich unter der Wirkung des inneren Überdruckes ρ in einer bestimmten Hublage ergeben, ist in Fig.3dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine bei Axialwalkzellenmotoren bisher angewandte Sektor-Walkzelle 10 in flachem (a) und aufgeblasenem (b) Zustand. Die Konturen 12 dieser Zelle 10 bestehen aus einem konvexen Kreisbogen 13, aus ebenfalls konvexen Eckradien 14 und geiadlinigen, radialen Seitennähten 16. Die Abrundung 18 der Zelle 10 in der Achsnaht ist für diese Relation ohne wesentliche Bedeutung.

Die Untersuchungen der entstehenden theoretischen Folienüberlängen beim Aufblasen der Zelle können auffolgende Art erfolgen:

Aus Fig.4 ergibt sich aufgrund des rechtwinkligen Dreiecks

r = K₂ ■ tg \ bzw. r = R₂ ■ Ig λ max. (8)

Dabei bedeutet «max. die Neigung der zueinander schief stehenden Motorachsen bei einem Axialmotor bzw. die Neigung der Wulkzellensynimetrieebene bei maximaler Expansion der Walkzelie.
Aus den F ig. 1 und 2 bzw. der Gleichung I folgt

R₁ - /1/2

	Α	J	+ «2	= R₁ bzw	.R₂ =	+ λ m;
und	aus F i		g··»			90
ΑΠ	= (r		• .7/2)	• (90 + \ max.)/90	λ max.)
		R₂-Ig	Λ · .7 90
	2
		tg χ · (90 +
		180

Aus F i g. 3 folgt ferner

R_} = r + R₂/cos λ .

Die prozentuelle Folienlängenveränderiing am Außenumfang {7=2/? der Walkzelle entspricht dem Verhältnis beider Radien, d. h. des Radius R] der nicht aufgeblasenen und des entsprechenden Radius Rt bei aufgeblasener Zelle.

U₃

«3

(12)

In einem noch größeren Oberlängen-Verhältnis zueinander stehen die Zellenbereiche mit den Eckradien Ra und R-,, wobei R^ den Eckradius vor und R-, denjenigen nach dem Aufblasen der Zelle bedeutet. Nimmt man an, daß der Mittelpunkt der Radien R.\ und R-, im konstanten Abstand Ri vom Sektorkreismitteipunkt liegt, d. h., daß diese Radien von einer konstanten senkrechten Gerade 15 ausgeschlagen worden, dann wird

R₄ = R₁-R₁ = A/2 = ----- , (13)

und da

R₅ = r,

(14)

wird das Verhältnis der Folienlängenveränderiing dieser Umfangsteile der Ecken der Zelle, die proportional nal ihrer Radien sind,

A 2r

= ir = 1.57.

(15)

was 57% Folienüberlänge entspricht (Grenzfall: Kugel).

Es folgt daraus sehr deutlich, welch hohe Druckkräfte in diesem Bereich entstehen wurden, wenn nicht die Zelle schon frühzeitig diesem Druck ausweichen und sich nach innen ausbuchten würde, um diese Überlänge zu kompensieren.

Die vorgehend dargestellten Probleme und damit verbundenen Ermüdungserscheinungen an Folienzellen können durch die entsprechende Konstruktion der Nahtform daher wesentlich verbessert werden.

Die neuen Erkenntnisse führen einerseits zum Vermeiden von konvexen Eckradien, andererseits zur

Überlängeiikompcnsalion durch konkave Nahtbereichc.

Solche neuartigen Walk/.cllcn sind in den l^; i g. "> bis 7 dargestellt. So zeigt I'ig. 5 eine bezüglich der Rotormillc M kreisförmige Aiilknnaht 20 und konkave Kiidialniihtc 21 als Begrenzung der Walk/.cllc.

[·" i g. 6 zeigt eine Walk/.cllc 25 mit wellenförmiger Außennaht 27 als Konvcx-Konkav-Kombination.

In Γ i g. 7 ist eine Walk/.cllcnform 28 dargestellt, bei der nebst radialen Konkavnählen 29 ein zusätzlicher Konkavtcil30am AuUcnrand3l vorgesehen ist.

Durch diese konkaven l'ormgebungcn der Nähle wird vermieden, daß beim Aufblasen der /eile die Ränder infolge Überlangen wegen der resultierenden Kräfte gestaucht werden und !"alten entstehen, welche die Zellcnwand stark beanspruchen und damit die Lebensdauer der Zelle verkürzen sowie die Materialwahl einschränken.

Hierzu 3 HIaIl Zeichnunizen

Claims

26 Π Pulentansprüche:

1. Aufblasbare, in drucklosem Zustand praktisch ebene, als Krafter/eiiger verwendbare Folienzelle, dadurch gekennzeichnet, daß an deren in einer Ebene rechtwinklig zur Richtung der zu erzeugenden Kraft liegenden Umfang mindestens eine konkave Konturstelle vorhanden ist, um bei aufgeblasener Zelle in Folge Umfangsverkürzung entstehende Druckspannungen zu reduzieren oder zu vermeiden.

2. Folienzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere, auf einem, insbesondere kreisförmigen Umfangsteil zum Beispiel gleichmäßig verteilte konkave Konturstellen aufweist.

3. Folienzelle nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Koniurstelle ungefähr die zwischen zwei Armen eines Malteserkreuz-Signets gelegene Form aufweist.

4. Folienzelle nach Anspruch I mit Kreisumfang, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang mindestens teilweise wellenlinienförmig oder -ähnlich ausgebildet ist.

5. Folienzelle nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Naht der sektorartig ausgebildeten Folienzelle mindestens zum Teil eine konkave Form hat.

2(1