DE4438558A1

DE4438558A1 - Twist angle accommodating bellows with helical corrugations

Info

Publication number: DE4438558A1
Application number: DE4438558A
Authority: DE
Inventors: Peter Feisst
Original assignee: Iwk Regler und Kompensatoren 76297 Stutensee De GmbH; IWK Regler und Kompensatoren GmbH
Current assignee: BOA Balg und Kompensatoren Technologie GmbH
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1994-10-28
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2014-10-29
Also published as: DE4438558C2

Abstract

The max. deflection of the symmetry axes of the individual bellows corrugations is at the most 30 deg. w.r.t. the straight connection line of the two ends, and at least 10 deg.. In the mfr. a conventionally mfd. bellows, coaxial to its extended symmetry axis, is exposed to an elastic twist deformation beyond a torsional angle, corresp. to its bending moment. For plastic deformation the bellows is further twisted beyond abutment of its corrugations, followed by its relief.

Description

Die Erfindung betrifft einen Balg, ein Verfahren zur Herstellung eines Balges, insbesondere eines Torsionsbal ges, sowie die Verwendung eines solchen Balges.The invention relates to a bellows, a method for Production of a bellows, in particular a torsion bellows ges, as well as the use of such a bellows.

Ein Balg ist ein dünnwandiger Rohrkörper, der schrauben förmig, insbesondere aber ringförmig verlaufende Wellen mit Wellenbergen und Wellentälern aufweist und hierdurch ein axiales Federungsvermögen und eine schlauchartige Biegsamkeit erhält. Bälge werden bisher zur Aufnahme axialer, angularer und lateraler Bewegungen eingesetzt.A bellows is a thin-walled tubular body that screws shaped, but especially ring-shaped waves with wave crests and wave valleys and thereby axial resilience and tubular Flexibility is maintained. Bellows have been used so far axial, angular and lateral movements are used.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Metallbälge, wenn sie auch grundsätzlich bei Bälgen aus anderem Mate rial, wie Kunststoffbälgen, einsetzbar ist.The invention relates in particular to metal bellows, even if it basically applies to bellows made of other mate rial, such as plastic bellows, can be used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Balg und ein Verfahren zur Herstellung desselben vorzuschlagen, der neue Einsatzmöglichkeiten eröffnet. The invention has for its object a bellows and propose a process for the production thereof that opens up new applications.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch einen Balg gelöst, welcher durch Wendelform gekennzeichnet ist. Ein Verfahren-zur Herstellung eines solchen Balges sieht vor, daß ein zunächst in üblicher Weise hergestellter, koaxial zu einer gestreckten Symmetrieachse verlaufender Balg einer elastischen Drehverformung bis über den seinem Knickmoment entsprechenden Torsionswinkel hinaus ausge setzt wird.According to the invention, this object is achieved by a Bellows released, which is characterized by spiral shape. A method of making such a bellows is seen before that an initially manufactured in the usual way, extending coaxially to an elongated axis of symmetry Bellows of an elastic torsional deformation up to his Buckling moment corresponding torsion angle out is set.

Herkömmliche Bälge können keinen Verdrehwinkeln entlang ihrer Längsachse, insbesondere keinen sich verändernden Verdrehwinkeln über lange Zeit unterworfen werden. Ein Metallbalg verhält sich nämlich zunächst wie ein äquiva lentes Metallrohr mit gleicher Wandstärke und einem dem Mittelwert des Außen- und Innendurchmessers des Balges entsprechenden Durchmesser mit einer Torsionsfederkon stante entsprechend dem äquivalenten Rohr. Würde ein solcher Balg alternierenden Verdrehwinkeln ausgesetzt, so würde dies schnell zu einem Brechen und Versagen des Balges insbesondere im Bereich der Krempen führen auf grund dort ausgeübter, unzulässiger plastischer Wechsel verformungen.Conventional bellows cannot twist angles their longitudinal axis, especially no changing one Twist angles are subjected to for a long time. On Metal bellows initially behaves like an equiva lentes metal tube with the same wall thickness and a Average of the outside and inside diameter of the bellows corresponding diameter with a torsion spring cone constant according to the equivalent pipe. Would one such bellows exposed to alternating angles of rotation, so this would quickly break and fail Balges, particularly in the area of the brim, perform due to impermissible plastic change deformations.

Ein verdrillter Balg kann als Torsionsbalg eingesetzt werden und hat bei schwellenden Verdrehungen um einen konstanten Verdrehwinkel, der einen gewissen Ausgangs- oder Mindestwinkel nicht unterschreitet, eine erhebliche, insbesondere eine ausreichende Lebensdauer. Das Torsions moment wird im Balg anteilig als Biegemoment senkrecht zur Balgachse auf die Balgwellen übertragen, die ihre Form erhalten und sich lediglich wendelförmig senkrecht zu der durch sie bestimmten Wendelachse anstellen. Bei weiterer Verdrehung über den vorgenannten konstanten Verdrehwinkel hinaus und damit Erhöhung des Torsionsmo ments verdrillt sich der Balg weiter, die Wellen kippen noch mehr zur Torsionsachse. Hierdurch werden größere Anteile des Torsionsmoments in Biegung umgesetzt. Der verdrillte Balg hat demnach eine degressive Torsionsfe derkonstante. Einmal in der verdrillten Lage ist der Balg in der Lage, weitere Verdrehungen elastisch aufzunehmen und so dynamischen Lastwechseln standzuhalten. Der Balg ist in dieser erfindungsgemäßen verdrillten Form nicht mehr in der Lage, Drehmomente zu übertragen, er kann damit selbst nicht die Funktion einer momentenübertragen den Kupplung erfüllen.A twisted bellows can be used as a torsion bellows and has a swelling twist by one constant angle of rotation, which has a certain initial or the minimum angle, a significant, especially a sufficient lifespan. The torsion moment becomes vertical in the bellows proportionally as a bending moment transferred to the bellows axis on the bellows shafts, their Preserve shape and just spiral vertically to the helix axis determined by them. At further rotation above the aforementioned constant Angle of rotation and thus increase the torsional mo the bellows continues to twist, the waves tilt even more about the torsion axis. This will make them bigger Parts of the torsional moment converted into a bend. Of the twisted bellows therefore has a degressive torsion spring constant. The bellows is once in the twisted position able to elastically absorb further twists and so withstand dynamic load changes. The bellow is not in this twisted form according to the invention more able to transmit torques, he can so that itself does not transfer the function of a moment meet the clutch.

Die minimale Verdrillung des Balges ist vorzugsweise durch den zu seinem Knickmoment zugehörigen Torsionswin kelThe minimum twist of the bellows is preferred due to the torsion win associated with its buckling moment kel

bestimmt, wobei dasdetermined, which

ist. Hierbei ist:is. Here is:

C_phi: die Biegesteifigkeit des Balges (z. B. nach EJMA)
L_n: die gestreckte Länge einer Welle
B_wel: die Wellenzahl
B_n: die Lagenzahl
S_min: die Wandstärke
R_m: der mittlere Balgradius
G : der Schubmodul.C _phi : the bending stiffness of the bellows (e.g. according to EJMA)
L _n : the stretched length of a wave
B _wel : the wavenumber
B _n : the number of layers
S _min : the wall thickness
R _m : the mean Balgradius
G: the thrust module.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Balgenden parallel zueinander ausgerichtet sind.According to a preferred embodiment it is provided that the bellows ends are aligned parallel to each other.

Bevorzugte Ausgestaltungen sehen vor, daß die maximale Auslenkung der Symmetrieachsen einzelner Balgwellen gegenüber einer geraden Verbindung der Enden des Balges höchstens 30° beträgt und daß die maximale Auslenkung der Symmetrieachsen einzelner Balgwellen gegenüber einer geraden Verbindung der Enden des Balges mindestens 10° beträgt.Preferred configurations provide that the maximum Deflection of the symmetry axes of individual bellows waves opposite a straight connection of the ends of the bellows is at most 30 ° and that the maximum deflection of the Axes of symmetry of individual bellows waves relative to one straight connection of the ends of the bellows at least 10 ° is.

Während der Balg grundsätzlich in der beschriebenen Weise derart hergestellt werden kann, daß ein in üblicher Weise zunächst mit den Wellen versehener gestreckter Balg über seinen seinem Knickmoment entsprechenden Winkel hinaus verdrillt wird und anschließend elastisch bis in eine gewünschte Mittelstellung verdrillt wird, um die er dann schwellenden Verdrehungen ausgesetzt werden kann, wobei eine Rückverdrehung zu seiner Ausgangskonfiguration nicht den seinem Knickmoment entsprechenden Torsionswinkel erreichen darf, sieht eine äußerst bevorzugte Ausgestal tung vor, daß der Balg zur plastischen Verformung bis etwas über das Anliegen der Balgwellen hinaus weiter verdrillt und anschließend entlastet wird. Hierbei federt der Balg nach der Entlastung nicht in seine gestreckte Ausgangskonfiguration, sondern nur in eine leicht ver drillte Lage zurück. Ausgehend von dieser wird der Balg dann wieder in der ursprünglichen Richtung weiterverdreht und in einer gewünschten Mittelstellung fixiert, um die hin er dann wieder elastische Verdrillungen seiner Enden aufnehmen kann.While the bellows basically in the manner described can be produced in such a way that a in the usual way first the bellows stretched out with the waves above its angle corresponding to its buckling moment is twisted and then elastic into one desired center position is twisted around which he then can be exposed to swelling twists, whereby not a backward twist to its initial configuration the torsion angle corresponding to its buckling moment is an extremely preferred configuration tion that the bellows for plastic deformation up to something beyond the concern of the bellows waves is twisted and then relieved. This springs the bellows did not stretch into its stretched position Initial configuration, but only in a slightly ver bored situation back. Based on this, the bellows then twisted again in the original direction and fixed in a desired middle position to the then he again elastic twists his ends can record.

Ein erfindungsgemäßer Balg kann in vielfältiger Weise eingesetzt werden, insbesondere zur drehelastischen und biegeelastischen, gasdichten Kapselung von relativ zuein ander verdrehbaren Wellenabschnitten, so beispielsweise zur Kapselung einer Meßwelle, wie einer Drehmomentenmeß welle, bei der Dehnmeßstreifen gegen Umwelteinflüsse abgekapselt werden müssen. Er kann weiter eingesetzt werden zur Kapselung einer tordierten Welle oder von drehelastischen Wellenkupplungen, wie sie zur Ruckdämp fung eingesetzt werden. Da der erfindungsgemäße Balg nicht nur Verdrehungen der beiden Wellenenden um die Rotations- oder Momentenachse aufnehmen kann, sondern wie bekannte Bälge auch Winkelungen und Versetzungen der Wellenenden senkrecht zu dieser Achse um zu ihr senkrecht stehende Kardanachsen bzw. deren resultierende Drehachse, kann der erfindungsgemäße Balg auch zur Kapselung belie biger Kupplungen, welche Winkelungen um alle drei Raum achsen zulassen, eingesetzt werden. Der Balg kann damit zur Kapselung von dreh- und winkelelastischen bzw. dreh- und winkelbeweglichen, momentenübertragenden Wellenkupp lungen mit definierten, d. h. formschlüssig begrenzten, oder kraftgesteuerten Bewegungsmöglichkeiten um alle drei Raumachsen eingesetzt werden. Weiterhin kann der Balg zusätzlich auch den axialen und lateralen Versatz zweier Wellenenden zueinander aufnehmen. In allen Fällen können jeweils statische Änderungen und/oder dynamische Änderun gen, also Bewegungen, der relativen Positionen der Balg enden aufgenommen werden.A bellows according to the invention can be used in many different ways are used, in particular for torsionally elastic and flexible, gas-tight encapsulation of relative to each other other rotatable shaft sections, for example for encapsulating a measuring shaft, such as a torque measurement wave, at the strain gauge against environmental influences must be encapsulated. It can continue to be used are used to encapsulate a twisted shaft or torsionally flexible shaft couplings, such as those used for shock absorbers fung are used. Since the bellows according to the invention not just twists of the two shaft ends around the Rotational or torque axis, but how known bellows also angulations and dislocations of the Shaft ends perpendicular to this axis to be perpendicular to it standing gimbal axes or their resulting axis of rotation, the bellows according to the invention can also be used for encapsulation biger couplings, which angulations around all three space allow axes to be used. The bellows can for encapsulating torsionally and angularly elastic or and angular, torque-transmitting shaft coupling lungs with defined, d. H. positively limited, or power-controlled movement options around all three Space axes are used. Furthermore, the bellows additionally the axial and lateral misalignment of two Take up shaft ends to each other. In all cases you can static changes and / or dynamic changes conditions, i.e. movements, of the relative positions of the bellows ends are recorded.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschrei bung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt Further advantages and features of the invention result from the claims and from the following description exercise, in the embodiments of the invention under Reference to the drawing are explained in detail. It shows

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Balg im Schnitt; Figure 1 shows a bellows according to the invention in section.

Fig. 2a einen erfindungsgemäßen Balg als Kapselung von Dehn-Meßstreifen zur Momentenmessung im Längsschnitt; Figure 2a is a bellows according to the invention as encapsulation of strain gages for torque measurement in the longitudinal section.

Fig. 2b das Ausführungsbeispiel der Fig. 2a in Draufsicht von rechts entsprechend dem Pfeil B; und Fig. 2b shows the embodiment of Figure 2a in plan view from the right according to arrow B; and

Fig. 3 eine Darstellung eines erfindungsge mäßen Balges zur Kapselung eines Kardangelenkes. Fig. 3 is an illustration of a bellows according to the invention for encapsulating a universal joint.

Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen, wendelförmig gestalteten Balg 1. Der Balg 1 weist parallel ausgerich tete Balgenden 2, 3 auf. Weiterhin ist in der Fig. 1 die zu den Balgwellen koaxiale Wendellinie 4 sowie die Tor sionsachse 6 erkennbar. Mit M und -M sind gegeneinander wirkende Torsionsmomente angegeben, durch welche der Balg in seine in der Fig. 1 dargestellte verdrillte Lage überführt wurde. Zu betonen ist, daß der Balg nicht nur S-förmig geführt ist, sondern bei einer Sicht entspre chend dem Pfeil S in der Blattebene die gleiche Verfor mung zeigt, wie in der Fig. 1 bei Blick auf die Blatt ebene dargestellt, d. h. damit räumlich um die Momenten achse 6 verdrillt ist bzw. die Konfiguration einer fla chen Wendel aufweist. Fig. 1 shows an inventive helically shaped bellows 1. The bellows 1 has parallel bellows ends 2 , 3 . Furthermore, the helical line 4 coaxial with the bellows waves and the gate axis 6 can be seen in FIG. 1. M and -M are torsional moments acting against one another, by means of which the bellows was transferred into its twisted position shown in FIG. 1. It should be emphasized that the bellows is not only S-shaped, but in a view accordingly arrow S in the leaf plane shows the same deformation, as shown in FIG. 1 when looking at the leaf plane, that is to say spatially is twisted around the torque axis 6 or has the configuration of a flat coil.

Die Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Balg 1 zur Kapselung von Dehnmeßstreifen 11 zur Momentenmessung, wobei die Dehnmeßstreifen 11 hier lediglich schematisch dargestellt sind. Die Dehnmeßstreifen dienen zur Messung der auf zwei Wellenenden 12, 13 einer momentenübertragen den Meßwelle wirkenden Momenten M, -M. Bei 14 ist der Balg mit dem linken Wellenende 12 gasdicht verbunden, beispielsweise durch Schweißen, Löten, Kleben. Wenn es nicht auf eine völlig gasdichte Verbindung ankommt, so kann die Verbindung auch durch Schrumpfen oder Kalibrie ren erfolgen. In gleicher Weise ist bei 16 der Balg 1 mit dem rechten Wellenende 13 verbunden. Bei 17 sind die Anschlußkabel der Dehnmeßstreifenanordnung, die neben den eigentlichen Dehnmeßstreifen 11 auch eine zugehörige Elektronik aufweisen kann, herausgeführt. Mit A ist hier die in jedem Falle übereinstimmende Rotationsachse der Welle und Momentenachse bezeichnet. Fig. 2 shows a bellows according to the invention 1 for the encapsulation of strain gauges 11 to the moment of measurement, the strain gauges 11 are shown only schematically here. The strain gauges are used to measure the moments M, -M acting on two shaft ends 12 , 13 of a moment transmitted to the measuring shaft. At 14 , the bellows is gas-tightly connected to the left shaft end 12 , for example by welding, soldering, gluing. If a completely gas-tight connection is not important, the connection can also be made by shrinking or calibrating. In the same way, the bellows 1 is connected to the right shaft end 13 at 16 . At 17 , the connecting cables of the strain gauge arrangement, which in addition to the actual strain gauge 11 can also have associated electronics, are led out. A here denotes the axis of rotation of the shaft and the torque axis which coincides in each case.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3 dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Kapselung eines Kardangelenkes durch einen erfindungsgemäßen Balg als Beispiel zur Kapselung von Wellenabschnitten oder Kupplungen, welche neben der Verdrehung um eine Rota tionsachse durch Torsion zusätzlich auch noch einen Versatz oder eine Winkelung beider Wellenenden zulassen.Another embodiment is shown in FIG. 3. This is the encapsulation of a universal joint by a bellows according to the invention as an example for encapsulating shaft sections or couplings which, in addition to the rotation about a rotation axis by torsion, also allow an offset or an angulation of both shaft ends.

Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet.The same parts are designated with the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2.

Bei 21 handelt es sich um das Wellenende einer momenten übertragenden Welle. Bei 22 handelt es sich um das Ende einer anderen momentenübertragenden Welle, wobei die beiden Wellen bzw. deren Wellenenden 21, 22 durch ein Kardangelenk 23 miteinander verbunden sind, welches zunächst Winkelungen der Wellenenden 21 und 22 zueinander zuläßt, wobei die Winkelung um eine der Kardanachsen 24 dargestellt ist, eine Winkelung um die hierzu senkrechte Kardanachse 26 aber in gleicher Weise zulässig ist. Darüber hinaus erlaubt das dargestellte Kardangelenk auch noch zusätzliche Verdrehungen der Wellenenden 21, 22 um mit R bzw. R′ bezeichnete Rotationsachsen. Das Wellenende 22 ist unter Momentenbelastung M des Wellenendes 21 um die Rotationsachsen R verdreht. 21 is the shaft end of a torque-transmitting shaft. 22 is the end of another torque-transmitting shaft, the two shafts or their shaft ends 21 , 22 being connected to one another by a cardan joint 23 , which initially permits angulations of the shaft ends 21 and 22 to one another, the angulation around one of the cardan axes 24 is shown, but an angulation around the perpendicular gimbal axis 26 is permissible in the same way. In addition, the universal joint shown also allows additional rotations of the shaft ends 21 , 22 by R or R 'designated axes of rotation. The shaft end 22 is rotated under the moment load M of the shaft end 21 about the axes of rotation R.

Bei 14 und 16 sind bei der Ausgestaltung der Fig. 2 die Anbindungen des Balges an die Wellenenden dargestellt, wobei diese Anbindung in der oben beschriebenen Weise erfolgt.The connections of the bellows to the shaft ends are shown at 14 and 16 in the embodiment of FIG. 2, this connection taking place in the manner described above.

Ein Balg mit einem Außendurchmesser von 49,7 mm, einem Innendurchmesser von 34 mm, einer Wellenzahl von 15, einer Wandstärke von 0,2 mm und einer gesamten unbelaste ten Baulänge ohne Enden von 60 mm wurde zur plastischen Verformung um 30° verdreht. Nach Entlastung federte er in eine um 10° gegenüber der Ausgangskonfiguration verdrehte Lage zurück. Der Balg kann zur Aufnahme von Drehbewegun gen zwischen 15 und 20° um eine Ausgangsposition entspre chend einer Verdrehung um 20° gegenüber der ursprüngli chen Konfiguration des gestreckten Ausgangsbalges einge setzt werden.A bellows with an outer diameter of 49.7 mm, one Inner diameter of 34 mm, a wave number of 15, a wall thickness of 0.2 mm and an entire unloaded length without ends of 60 mm became plastic Deformation twisted by 30 °. After relief he bounced in one rotated by 10 ° compared to the initial configuration Location back. The bellows can accommodate rotary movements corresponds to a starting position between 15 and 20 ° after a twist by 20 ° compared to the original Chen configuration of the extended output bellows be set.

Es hat sich herausgestellt, daß bei einem Innendurchmes ser in der genannten Größenordnung sowie 10 bis 15 Wellen ohne weiteres eine Verdrehung von 15 bis 20° erreicht werden kann. Wenn der Balg nur um wenige Grade verdreht wird, so wird der freidurchgängige Innendurchmesser auch nur um wenige % verkleinert, so daß bei einem Innendurch messer des Balgs eine Welle mit einem Durchmesser von bis zu 25 mm durch diesen hindurchgeführt werden kann.It has been found that with an inner diameter water in the order of magnitude mentioned and 10 to 15 waves easily reached a twist of 15 to 20 ° can be. When the bellows twists only a few degrees the free continuous inner diameter becomes too only reduced by a few%, so that with an inside knife of the bellows a shaft with a diameter of up to to 25 mm can be passed through this.

Claims

1. Bellows, in particular bellows absorbing the angle of rotation, characterized by helical shape.

2. Bellows according to claim 1, characterized in that the bellows ends ( 2 , 3 ) are aligned to each other as desired.

3. Bellows according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum deflection of the axes of symmetry of individual bellows waves compared to a straight connection of the ends ( 2 , 3 ) of the bellows is at most 30 °.

4. Bellows according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum deflection of the axes of symmetry of individual bellows waves compared to a straight connection of the ends ( 2 , 3 ) of the bellows is at least 10 °.

5. Process for producing a bellows according to a of the preceding claims, in particular one Torsion bellows, characterized in that a initially produced in the usual way, coaxially a bellows that extends in an axis of symmetry an elastic torsional deformation up to his Buckling moment corresponding torsion angle is exposed.

6. The method according to claim 5, characterized in that the bellows for plastic deformation to something beyond the concern of the bellows waves is twisted and then relieved.

7. The method according to claim 6, characterized in that the bellows from its after carrying out the Ver driving 6 given slightly twisted relief configuration is further twisted again, until a desired torsional stiffness is reached and that he is fixed in this position.

8. Use of a bellows according to one of claims 1 up to 4 for the torsionally elastic, gastight encapsulation of shaft sections rotatable relative to one another.

9. bellows according to claim 7, characterized in that the bellows in addition to twisting around its Longitudinal axis also for static or cyclical Acquisition of axial, lateral and angular movements is trained.

10. Bellows according to one of claims 1 to 9, characterized characterized in that the bellows is ring-corrugated.

11. Bellows according to one of claims 1 to 9, characterized characterized in that the bellows is helically corrugated.