DE4037958A1 - Flexibler kraft- und/oder bewegungsuebertragungsmechanismus - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen flexiblen Kraft- und/oder Bewegungsübertragungsmechanismus, insbesondere Bowdenzüge und biegsame Wellen, bestehend aus einem flexiblen Spiralschlauch, einem koaxial darin gleitend geführten Kabel und einer zwischen Spiralrohr und Kabel angeordneten Gleitschicht aus Polymerkunst­ stoffen.

Nach dem Stand der Technik werden derartige Mechanismen, nachfolgend mit dem Sammelbegriff kurz "Bowdenzug" genannt, durch Einziehen eines schlauchförmigen Liners in den Spiralschlauch oder Ummanteln des aus Draht, Seil oder Litze bestehenden Kabels mit einem Polymerschlauch hergestellt. Dem Liner fällt dabei die Aufgabe zu, eine möglichst verlustarme Kraftübertragung durch eine reibungsarme Relativbewegung zwischen Kabel und Schlauch zu ermöglichen. Gegenüber starren Schaltgestängen lassen sich solche Bowdenzüge platzsparend, weil gebogen, verlegen, sind wartungsfrei, geräuscharm und arbeiten mit hohem Wirkungsgrad bei relativ geringem Eigengewicht. Beispiele solcher Bowdenzüge mit einem flexiblen Kabel, einem koaxialen Kunststoffliner und um diesen koaxialen Spiralführungsschlauch zeigen beispielhaft die US-PS 43 62 069 und die US-PS 28 21 092, die DE-U 69 33 113 und DE-U 19 13 909.

Insbesondere seit der Entwicklung der sogenannten "push-pull cable" sind die Anforderungen bezüglich der zu übertragenden Kräfte, der geforderten Lastspielzahlen und, z. B. bei der Verlegung im Motorraum von Kraftfahrzeugen, auch hinsichtlich der Temperaturen beständig gestiegen. Allgemein gilt die Forderung nach möglichst hohem Wirkungsgrad, geringem Spiel beim Wechsel der Last-Kraft- Richtung und Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse. Die heute üblichen Bowdenzüge mit lose eingezogenen schlauchförmigen Linern weisen erhebliche Nachteile hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Druckfestigkeit und der Einhaltung enger Fertigungstoleranzen auf. Auch wird relativ häufig ein Zurückschrumpfen des Polymerschlauches in den spiralisierten Metallschlauch beobachtet, was zum völligen Versagen des Bowdenzugs führt.

Schläuche aus Fluorpolymeren und deren Compounds werden üblicherweise durch Extrusion und, im Falle von Polytetrafluoräthylen (PTFE) durch Pastenextrusion hergestellt. Verfahrensbedingt ergeben sich hierbei erhebliche Einschränkungen hinsichtlich der Auswahl der Fluorpolymertypen, der Füllstoffe nach Art, Menge und Partikelgeometrie, der realisierbaren maximalen Wandstärke der Schläuche, der Isotropie der Werkstoffeigenschaften, der Fertigungstoleranzen und - im Falle von PTFE - der Fertigungslängen.

Für die Gesamtkonstruktion bedeutet das Einziehen des schlauchförmigen Liners einen zusätzlichen, lohnintensiven Arbeitsgang. Zusätzliche Verschleißbeanspruchung am Außendurchmesser der Liner; bedingt durch den ständigen Wechsel der Lastrichtung und Vibration, führt häufig zum vorzeitigen Versagen der Bowdenzüge im praktischen Einsatz.

Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß ein Spiralschlauch aus einem Verbundwerkstoff eingesetzt wird, der aus einem Trägermaterial, vorzugsweise Metall, und einer darauf gebrachten Polymerfolie, in einer Dicke von 0,015 bis 1,5 mm, vorzugsweise 0,10 bis 0,5 mm, als Gleitschicht besteht. Die Folie wird direkt oder mit Hilfe geeigneter Zwischenschichten, vorzugsweise schmelzbaren Fluorkunststoffen, fest mit dem Trägermaterial verbunden. Der temperatur- und beanspruchungszeit­ abhängigen Minderung der mechanischen Eigenschaften von Polymerwerkstoffen kann bevorzugt durch Einbringung von Füll- und Verstärkungsstoffen in die Polymermatrix begegnet werden.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Laminatwerkstoffes für den Spiralschlauch eines Bowdenzugs ermöglicht im Vergleich zu den durch Extrusion hergestellten schlauchförmigen Linern einen wesentlich erweiterten Einsatz von Füllstoffen nach Art, Menge und Partikelgeometrie, die Einbringung von verstärkenden Zwischenschichten und den Einsatz von Trägerwerkstoffen, welche nach Material, Geometrie und Oberflächenstruktur dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden können.

Geeignete Trägerwerkstoffe sind insbesondere Stahl, namentlich Edelstahl, Bundmetalle, mechanisch und thermisch hochfeste Polymere in Form von perforierten und/oder oberflächenstrukturierten Blechen Bändern, Profilen, Streckmetalle, Geflechte, durch Flammspritzen oder Aufsintern von metallischen oder keramischen Schichten oberflächenbehandelte Ausführungen zu vorgenannten Halbzeugen.

Als Materialien für die Polymerfolie kommen insbesondere Fluorkunststoffe, bevorzugt PTFE, Polyfluorcarbon etc. in Betracht.

Füllstoffe in der Polymerfolie sind insbesondere Grafit, Kohle, Molybdänsulfid, Metall, Glas, Metalloxide, z. B. mikronisiertes Aluminiumoxid oder Siliziumcarbid, hochtemperatur beständige, thermoplastische und/oder vernetzbare Polymere etc. in Form von Pulvern und/oder Kurzfasern, Plättchen, Voll- oder Hohlkugeln, Vliesen etc.

Geeignete Verstärkungsstoffe zwischen Träger und Polymerfolie sind Gewebe aus Metall, Glas, CF (Kohlefaser), hochtemperaturbeständigen Polymerfasern, z. B. Kevlar, verstreckte PTFE-Filamente etc.

Die Verbesserung der Gebrauchseigenschaften des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs ergibt sich aus der Möglichkeit für den Einsatz von

• - PTFE-Suspensionspolymerisaten, die höhere Druckfestigkeit, bessere Abriebbeständigkeit und geringere Kaltflußneigung als bei den für die Pastenextrusion verfahrensbedingten PTFE-Emulsionspolymerisaten bewirken;
• - relativ hohem Füllstoffanteil ausgewählter Füllstoffe, die zu höherer Druckfestigkeit, geringerer Deformation unter Last, hoher Zeitstandfestigkeit, geringerem Verschleiß und engen Fertigungstoleranzen führen;
• - relativ dünnen Folien zum Aufbau der Gleitschichten, was geringe Kaltflußneigung, hohe Druckfestigkeit, enge Fertigungstoleranzen bedeutet;
• - Laminaten mit einer festen Verbindung zwischen Trägermaterial und Gleitschicht, wodurch kein zusätzlicher Verschleiß am Außendurch­ messer wie bei lose eingelegten Linern, kein Zurückschrumpfen der Gleitschicht entsteht und enge Fertigungstoleranzen für die Wandstärke des Laminates und den Innendurchmesser des spiralisierten Innenschlauches eingehalten werden sowie hohe Druckfestigkeit bei Reduzierung der Kaltflußneigung von PTFE erreichbar sind;
• - Verstärkungsstoffen, wie Geweben, Streckmetall, in der Plymermatrix für höhere Druckfestigkeit, weniger Verschleiß und geringere Kaltflußneigung;
• - Trägermaterialien mit z. B. durch Sandstrahlen, Ätzen, Drücken, Durchstoßen, Perforieren, Platieren, Flammspritzen, Aufsintern metallischer und/oder keramischer Schichten erzeugten strukturierten Oberflächen mit höherer Druckfestigkeit, geringerer Kaltflußneigung und höherer Abriebfestigkeit.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäß aufgebauter Bowdenzug dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau des Laminates zur Herstellung des Spiralschlauchs aus zwei Schichten,

Fig. 2 das fertige Laminat,

Fig. 3 einen Querschnitt des Bowdenzugs.

Auf der Oberfläche des streifenförmigen Trägermaterials 1 wird die Polymerfolie 2, gegebenenfalls mittels einer Zwischenschicht 2′ (gestrichelt angedeutet), zur festen Haftung gebracht, wobei ein Gewebe oder eine sonstige Einlage unterstützend sein kann. Aus dem beschichteten Streifen 1, 2 wird der Spiralschlauch 3 gewickelt, in dem das flexible Kabel 4 (Draht, Seil oder Litze) koaxial geführt ist.

Die nachfolgenden Beispiele verdeutlichen die Erfindung:

Beispiel 1

Zur Herstellung eines Spiralschlauchs für einen Bowdenzug wird ein Laminat, bestehend aus einem 0,5 mm starken Edelstahlblech mit durch Ätzen strukturierter Oberfläche als Trägermaterial und einer Gleitschicht, bestehend aus einer 0,15 mm dicken Folie aus PTFE Emulsionspolymerisat mit 25 Gew.% eines aromatischen Polyesters als Füllstoff, verwendet. Die Folie wird mittels eines dünnen Filmes aus Perfluoralkoxy (PFA) als Zwischenschicht mit dem Trägermaterial unter Druck und Temperatur verbunden. Das Laminat wird in 2,75 mm breite Streifen geschnitten und daraus in bekannter Weise der Spiralschlauch des Bowdenzuges mit einem Innendurchmesser von 3,3 mm geformt.

Die Prüfung des komplettierten Seilzuges erfolgt auf einem Prüfstand unter folgenden Bedingungen:

Temperaturprogramm:
-40°C bis +150°C
Belastung:	120 bis 800 N
Betätigungsweg:	±50 mm
Lastspielfrequenz:	1 Hz
Geforderte Lastspielzahl:	1 000 000

Der Versuch wird nach 3 Mio. Lastwechseln mit folgendem Ergebnis abgebrochen:

Wirkungsgrad:
91,2% über den gesamten Weg
Hub-Druckspielweg:	0,82 mm in Zug- und Druckrichtung

Heute übliche Spezifikationen für derartige Bauteile sind damit deutlich übertroffen.

Beispiel 2

Ein Spiralschlauch eines Bowdenzuges nach Beispiel 1 wird gefertigt aus einem galvanisch verzinkten und gelbchromatierten Stahlblech von 0,5 mm Dicke als Trägermaterial und einer 0,48 mm Gleitschicht, bestehend aus einem 0,4 mm dicken Zinnbronzegewebe, in einem PTFE-Compound aus 70% PTFE, 25% Kohlepulver und 5% Grafit.

Die Verbindung der Folie mit dem Trägerwerkstoff erfolgt unter Druck und Temperatur mittels eines 30 µm dicken Filmes aus Äthylen-Tetrafluoräthylen-Copolymerisates (ETFE) als Zwischenschicht. Die Herstellung des push-pull cables erfolgt wie in Beispiel 1. Die Prüfbedingungen aus Beispiel 1 werden wie folgt abgewandelt:

Temperaturen:
-40°C bis +200°C
Belastung;	120 bis 1000 N
Betätigungsweg:	±30 mm
Lastspielfrequenz:	2 Hz
Geforderte Lastspielzahl:	1 000 000

Der Versuch wird nach 4.5 Mio. Lastwechseln beendet.

Versuchsergebnisse:

Wirkungsgrad:
nach 1 Mio. Lastwechseln=93,6%
	nach 4,5 Mio. Lastwechseln=89,8%
Hub-Druckspielweg:	nach 1 Mio. Lastwechseln=0,57 mm
	nach 4,5 Mio. Lastwechseln=1,75 mm

Damit sind auch nach 4,5 Mio. Lastwechseln die Bedingungen heutiger Spezifikationen voll erfüllt.

Beispiel 3

Eine in Laboratorien für den Antrieb z. B. von Rührwerken übliche "biegsame Welle" besteht aus einem Spiralschlauch aus 0,75 mm Stahlblech, welches durch Flammspritzen mit einer porösen Zinnbronzeschicht versehen ist, mit äußerer Armierung aus Stahldrahtgeflechtlagen und einer abschließenden Ummantelung aus einem Elastomeren. Darauf wurde als Gleitschicht eine 0,12 mm dicke Folie aus PTFE-Suspensionspolymerisat mit einem Kohlefaseranteil von 15 Gew.-% wie in Beispiel 1 laminiert. Nach 750 Betriebsstunden bei 1400 bis 3000 Umdrehungen pro min. beträgt der Wirkungsgrad 93,8%. Nennenswerte Verschleißerscheinungen wurden nicht beobachtet.

Claims (5)

1. Bowdenzug, bestehend aus einem Spiralschlauch, einem darin koaxial geführten Kabel und einer zwischen beiden Teilen angeordneten Gleitschicht aus Polymerkunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiral­ schlauch (3) aus einem Trägermaterial (1) mit einem festhaftenden Überzug aus Polymerfolie (2) als Gleitschicht besteht.

2. Bowdenzug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymer­ folie aus PTFE besteht.

3. Bowdenzug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftung der Polymerfolie (2) auf dem Trägermaterial (1) durch eine Zwischen­ schicht (2′) verbessert ist.

4. Bowdenzug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Zwischenschicht Perfluoralkoxy ist.

5. Bowdenzug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymer­ folie (2) mit Verstärkungseinlagen in Form von Fasern, Pulver, Gewirke, Gewebe oder Vlies versehen ist.