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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kombination aus einer Gelenkmanschette
aus Kunstharz und einem Gelenk-Gehäuseteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 und insbesondere eine balgartige Gelenkmanschette aus Kunstharz
für Gleichlaufgelenke
in Kraftfahrzeugen etc.
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Das
Gelenk einer Antriebswelle für
Motorfahrzeuge oder für
Industriemaschinen wird oft mit einer Gelenkmanschette versehen,
um darin enthaltenes Fett festzuhalten und um das Eindringen von Schmutz
in das Gelenk zu verhindern.
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Die
EP-A-0 394 569, die mit der vorliegenden Erfindung die Merkmale
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 gemeinsam hat, beschreibt
eine Gelenkmanschette für
den Betrieb mit hohen Winkelabweichungen der Enden.
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Die
DE-A-3 324 997 beschreibt eine Gelenkmanschette aus Kunstharz gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 mit zwei im wesentlichen zylindrischen Enden mit
verschiedenen Durchmessern, wobei der Faltenbalgteil derart verschiedene
Befestigungsabschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern umfaßt, daß die Gelenkmanschette
so abgeschnitten werden kann, daß sie auf Gelenke unterschiedlicher
Größe paßt.
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In
der 4 ist ein Beispiel für eine solche herkömmliche
Gelenkmanschette gezeigt. Diese Manschette umfaßt einen Zylinderteil 1 mit
großem Durchmesser,
der auf das Gehäuse
eines Gleichlaufgelenks aufgesetzt wird, koaxial und in einem Abstand
dazu einen Zylinderteil 2 mit kleinem Durchmesser, der
dafür vorgesehen
ist, auf eine Welle aufgesetzt zu werden, und einen Faltenbalgteil 3,
der beide Teile integral verbindet. Die Manschette wird durch Spritzgießen, Preßblasen
und dergleichen als einstückiger
Körper
ausgebildet. Der Schulterabschnitt 11 des Zylinderteils 1 mit
großem
Durchmesser, an den sich der Faltenbalgteil 3 anschließt, ist dabei
so geformt, daß er
parallel zur Mittellinie L der Manschette verläuft, so daß der Schulterabschnitt 11 eine
einfache kurze Zylinderform annimmt.
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Wenn
die herkömmliche
Manschette im Zustand einer Biegeverformung unter einem großen Winkel
gedreht wird, ist ihre Haltbarkeit hinsichtlich der Biegedauerfestigkeit,
der Verschleißfestigkeit usw.
nicht immer ausreichend. Es ist somit manchmal eine Erhöhung der
Lebensdauer erforderlich.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts dieses Problems gemacht,
ihre Hauptaufgabe ist es, eine Gelenkmanschette aus Kunstharz zu
schaffen, deren Haltbarkeit erheblich verbessert ist.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß, wenn
der Schulterabschnitt des Zylinderteils mit großem Durchmesser wie bei der herkömmlichen
Manschette parallel zu der Mittellinie der Manschette verläuft, sich
bei der Biegeverformung der Manschette unter einem großen Winkel
der Schulterabschnitt auf der Innenseite der Biegung auf eine überstehende
Weise verformt. Als Folge davon entsteht am Fußteil des Schulterabschnitts
aufgrund der Biegebeanspruchung ein Riß. Außerdem wird der Faltenbalgteil
aufgrund der überstehenden
Verformung des Schulterabschnitts aufeinander gefal tet, was zusätzlich zum
Auftreten von Rissen in den Muldenabschnitten des Faltenbalgteils
führen
kann. Wir haben darüberhinaus
festgestellt, daß die überstehende
Verformung des Schulterabschnitts durch Neigen des Verlaufs des
Schulterabschnitts des Zylinderteils mit großem Durchmesser zum Zylinderteil
mit kleinem Durchmesser hin in sich verjüngender Form beseitigt werden
kann, wodurch sich die Lebensdauer der Manschette erhöht. Die
vorliegende Erfindung beruht auf diesen Feststellungen.
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Die
Erfindung löst
das obige Problem durch die im Patentanspruch 1 angegebene Kombination.
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Erfindungsgemäß umfaßt somit
eine Gelenkmanschette aus Kunstharz einen Zylinderteil mit großem Durchmesser
an ihrem einen Ende und koaxial zum Zylinderteil mit großem Durchmesser
einen Zylinderteil mit kleinem Durchmesser an ihrem anderen Ende
sowie einen Faltenbalgteil, der diese beiden Teile integral verbindet,
wobei der Schulterabschnitt des Zylinderteils mit großem Durchmesser,
der an den Faltenbalgteil anschließt, so geformt ist, daß er zur
Seite des anderen distalen Endes in sich verjüngender Form geneigt ist. Mit
anderen Worten ist der Schulterabschnitt so geneigt, daß sein Durchmesser mit
der Annäherung
an die andere Endseite allmählich
kleiner wird.
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Bei
der erfindungsgemäßen Gelenkmanschette
aus Kunstharz beträgt
der Neigungswinkel in der Kontur des Schulterabschnitts zur Mittellinie
der Manschette vorzugsweise 6 Grad und mehr. Der Faltenbalgteil
wird aus einer Mehrzahl von Muldenabschnitten und Scheitelabschnitten
gebildet, die sich abwechselnd fortlaufend erstrecken, mit einem
ersten Muldenabschnitt, einem ersten Scheitelabschnitt, einem zweiten
Muldenabschnitt und einem zweiten Scheitelabschnitt in dieser Reihenfolge
von der Seite des Zylinderteils mit großem Durchmesser an. Vorzugsweise
weisen die Scheitelabschnitte vom Zylinderteil mit großem Durchmesser
zum Zylinderteil mit kleinem Durchmesser einen allmählich kleiner
werdenden Durchmesser auf, und der Außendurchmesser des ersten Scheitelabschnitts
ist größer als
der Außendurchmesser
des Zylinderteils mit großem Durchmesser.
Dadurch können
Spannungen in den Muldenabschnitten in der Umgebung des Zylinderteils
mit großem
Durchmesser, insbesondere im zweiten Muldenabschnitt, vermieden
werden, wodurch die Haltbarkeit der Manschette ansteigt.
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1 ist
eine halbe Auf- und halbe Schnittansicht einer Gelenkmanschette
aus Kunstharz gemäß einem
Beispiel der Erfindung;
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2 eine
Schnittansicht der Gelenkmanschette der 1 in dem Zustand,
in dem sie an einem Gleichlaufgelenk angebracht ist;
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3 eine
vergrößerte Schnittansicht
des Hauptteils des Zylinderteils mit großem Durchmesser der Gelenkmanschette
der 1;
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4 ist
eine halbe Auf- und halbe Schnittansicht einer herkömmlichen
Gelenkmanschette aus Kunstharz;
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5A und 5B sind
eine Schnittansicht des Hauptteils bei diesem Beispiel bei der Verformung
unter einem großen
Winkel bzw. eine Schnittansicht des Hauptteils bei einem Vergleichsbeispiel bei
der Verformung unter einem großen
Winkel;
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6 zeigt
eine Simulation durch eine FEM-Analyse (nach der Finite-Element-Methode) an einer
Gelenkmanschette, wobei der Verjüngungswinkel
(α) des
Schulterabschnitts 0 Grad beträgt;
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7 zeigt
eine Simulation durch eine FEM-Analyse an einer Gelenkmanschette,
wobei der Verjüngungswinkel
(α) des
Schulterabschnitts 5 Grad beträgt;
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8 zeigt
eine Simulation durch eine FEM-Analyse an einer Gelenkmanschette,
wobei der Verjüngungswinkel
(α) des
Schulterabschnitts 6 Grad beträgt;
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9 zeigt
eine Simulation durch eine FEM-Analyse an einer Gelenkmanschette,
wobei der Verjüngungswinkel
(α) des
Schulterabschnitts 8 Grad beträgt;
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10 zeigt
eine Simulation durch eine FEM-Analyse an einer Gelenkmanschette,
wobei der Verjüngungswinkel
(α) des
Schulterabschnitts 10 Grad beträgt;
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11 zeigt
eine Simulation durch eine FEM-Analyse an einer Gelenkmanschette,
wobei der Verjüngungswinkel
(α) des
Schulterabschnitts 15 Grad beträgt;
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12A, 12B und 12C sind graphische Darstellungen der Ergebnisse
einer FEM-Analyse für
das Beispiel und das Vergleichsbeispiel, wobei die 12A ein θ-σ-Diagramm der Spannung
(σ) gegen
den Gelenkwinkel (θ),
die 12B ein θ-P1-Diagramm des Kontaktdrucks.
am Zwischenbalgteil (P1) gegen den Gelenkwinkel (θ) und die 12C ein θ-P2-Diagramm
des Kontaktdrucks (P2) von Welle und einem Faltenbalgteil gegen
den Gelenkwinkel (θ)
ist.
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Die 1 bis 3 zeigen
eine Gelenkmanschette aus einem thermoplastischen Kunstharz, die an
einem Gleichlaufgelenk von Kraftfahrzeugen angebracht wird. Diese
Manschette umfaßt
einen Zylinderteil 1 mit großem Durchmesser, einen koaxial
und in einem Abstand davon angeordneten Zylinderteil 2 mit
kleinem Durchmesser und einen Faltenbalgteil 3, der als
einstückiger
Körper
die beiden Teile 1, 2 durchgehend miteinander
verbindet.
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Der
Zylinderteil 1 mit großem
Durchmesser weist eine kurze zylindrische Form auf und ist dafür vorgesehen,
mittels einer Befestigungsklemme 5 außen an der äußeren Umfangsfläche eines
Gehäuseteils 4 eines
Gleichlaufgelenks befestigt zu werden. Der Zylinderteil 1 mit
großem
Durchmesser umfaßt einen
Befestigungsabschnitt 12 und einen Schulterabschnitt 11.
Der Befestigungsabschnitt weist eine Nut 13 für die Aufnahme
der Befestigungsklemme 5 an seiner äußeren Umfangsfläche und
einen Vorsprung 14 zur Abdichtung an seiner inneren Umfangsfläche auf.
Der Schulterabschnitt 11 befindet sich axial innerhalb
vom Befestigungsabschnitt 12 und verbindet den Befestigungsabschnitt 12 mit
dem Faltenbalgteil 3.
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Der
Zylinderteil 2 mit kleinem Durchmesser ist dafür vorgesehen,
mittels einer Befestigungsklemme 7 auf der äußeren Umfangsfläche einer
Welle 6 angebracht und befestigt zu werden; er weist eine kurze
zylindrische Form auf. Außerdem
ist der Zylinderteil 2 mit kleinem Durchmesser koaxial
zum Zylinderteil 1 mit großem Durchmesser angeordnet,
das heißt
er weist mit ihm eine gemeinsame Mittellinie L auf. Auch bei dem
Zylinderteil 2 mit kleinem Durchmesser sind eine Nut für die Aufnahme
der Befestigungsklemme 7 an der äußeren Umfangsfläche und ein
Vorsprung zur Abdichtung an der inneren Umfangsfläche vorgesehen.
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Der
Faltenbalgteil 3 ist im Querschnitt ein im allgemeinen
zylindrischer Körper
mit einem Unterschied in der Öffnung
zwischen den beiden Enden, der innen einen Fettvorratraum 8 bildet.
Der Faltenbalgteil 3 umfaßt einen ersten Muldenabschnitt 31, einen
ersten Scheitelabschnitt 32, einen zweiten Muldenabschnitt 33,
einen zweiten Scheitelabschnitt 34 und so weiter in dieser
Reihenfolge von der Seite des Zylinderteils 1 mit großem Durchmesser
an. Der Faltenbalgteil 3 umfaßt somit eine Anzahl von Mulden- und
Scheitelabschnitten, die sich abwechselnd fortlaufend erstrecken.
Die Muldenabschnitte und die Scheitelabschnitte weisen vom Zylinderteil
mit großem Durchmesser zum Zylinderteil mit kleinem Durchmesser
einen immer kleiner werdenden Durchmesser auf. Von den geneigten
Flächen,
die den Faltenbalgteil 3 bilden, sind diejenigen, die nicht
direkt an den Zylinderteil 1 mit großem Durchmesser und den Zylinderteil 2 mit
kleinem Durchmesser angrenzen, das heißt die geneigten Flächen außer denen
an beiden Enden des Faltenbalgteils, in der Querschnittform in der
Axialrichtung der Manschette von der Manschette nach außen in einer
konvex gekrümmten Form
ausgebildet.
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Bei
diesem Grundaufbau der Gelenkmanschette ist wie bei dem Beispiel
der 3 gezeigt die Kontur des Schulterabschnitts 11,
der an den Faltenbalgteil 3 angrenzt, so geformt, daß sie sich
zum Zylinderteil 2 mit kleinem Durchmesser hin in verjüngender
Art neigt. Das heißt,
daß die
Kontur des Schulterabschnitts 11 des Zylinderteils 1 mit
großem Durchmesser
relativ zur Mittellinie L der Manschette hin so geneigt ist, daß sie im
Durchmesser zur Seite des Faltenbalgteils 3 hin immer kleiner
und kleiner wird. Genauer gesagt, ist der Schulterabschnitt 11 ein kurzer
Zylinderabschnitt, der sich vom Rand der Nut 13 am Befestigungsabschnitt 12 zum
Faltenbalgteil 3 hin erstreckt, um die äußere Umfangsfläche des
Randes einer Öffnung
am Gehäuseteil 4 zu
umgeben, und der mit dem äußeren Rand
der Seitenwand 31a des Faltenbalgteils 3 verbunden
ist, der fortlaufend an den ersten Muldenabschnitt 31 anschließt. Dieser kurze
Zylinderabschnitt ist daher relativ zur Mittellinie L der Manschette
sich verjüngend
geneigt. Der Neigungswinkel α des
Schulterabschnitts 11 (im folgenden als "Schulter-Verjüngungswinkel" bezeichnet) zur
Mittellinie L der Manschette beträgt vorzugsweise 6 Grad oder
mehr und liegt besser noch im Bereich von 6 bis 15 Grad.
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Bei
diesem Beispiel ist außerdem
der Außendurchmesser
des ersten Scheitelabschnitts 31 größer als der Außendurchmesser
des Zylinderteils 1 mit großem Durchmesser (der Außendurchmesser des
Abschnitts des Zylinderteils 1 mit großem Durchmesser mit dem maximalen
Durchmesser).
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Eine
Gelenkmanschette aus Kunstharz gemäß diesem Beispiel und eine
herkömmliche
Gelenkmanschette aus Kunstharz gemäß 4 als Vergleichsbeispiel
wurden einem Biegeverformungstest unterworfen, um die jeweiligen
Faltenformen des Faltenbalgteils 3 beim Biegen und Verformen
unter einem großen
Winkel zu untersuchen, und gleichzeitig einem Haltbarkeitstest ausgesetzt.
Es wurde dabei eine Gelenkmanschette mit einem Schulter-Verjüngungswinkel α von 8 Grad
verwendet.
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Die
Gelenkmanschette des Beispiels und die des Vergleichsbeispiels wurden
wie in der 2 gezeigt an einem Gleichlaufgelenk
angebracht, unter einem Gelenkwinkel (den Winkel, den die Mittellinie des
Gehäuseteils 4 mit
der Mittellinie der Welle 6 bildet) von 46 Grad abgewinkelt
und Röntgenaufnahmen
gemacht, um die Faltzustände
des jeweiligen Faltenbalgteils 3 an der Innenseite der
Biegung aufzunehmen. Es hat sich gezeigt, daß sich bei der Gelenkmanschette
nach dem Vergleichsbeispiel wie in der 5B gezeigt
der Schulterabschnitt 11 des Zylinderteils 1 mit
großem
Durchmesser an der Innenseite der Biegung so verformte, daß er zusammen mit
den Scheitelabschnitten des Faltenbalgteils 3 nach außen vorstand.
Im Gegensatz dazu faltete sich bei der Gelenkmanschette nach dem
Beispiel wie in der 5A gezeigt der Faltenbalgteil 3 an
der Innenseite der Biegung in einem guten Zustand zusammen, ohne
daß der
Schulterabschnitt 11 nach außen vorstand.
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Sowohl
die Gelenkmanschette des Beispiels als auch die des Vergleichsbeispiels
wurden, am Gleichlaufgelenk angebracht, außerdem einem Haltbarkeitstest
unter den Bedingungen einer Umgebungstemperatur von 100°C, einem
Gelenkwinkel von 40 Grad und einer Umdrehungszahl von 400 Upm unterworfen.
Bei der Gelenkmanschette des Vergleichsbeispiels entstand am Fußabschnitt
des Schulterabschnitts 11 des Zylinderteils 1 mit
großem Durchmesser
10 Stunden nach dem Beginn des Tests ein Riß und außerdem im zweiten Muldenabschnitt
des Faltenbalgteils 3 ein durchgehender Riß. Bei der
Gelenkmanschette nach dem Beispiel gab es auch nach 45 Stunden noch
keinen solchen Riß,
und die Biegedauerfestigkeit und die Verschleißfestigkeit waren wesentlich
erhöht.
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Mittels
einer Finite-Element-Analyse (FEM-Analyse) wurde eine Simulation
der obigen Gelenkmanschette hinsichtlich der Deformationskonfiguration
und der Spannungsverteilung bei der Verformung unter einem großen Winkel
durchgeführt.
In der Simulation wurden für
den Schulter-Verjüngungswinkel α des Zylinderteils 1 mit
großem
Durchmesser die sechs Werte 0 Grad (die Gelenkmanschette des obigen
Vergleichsbeispiels), 5 Grad, 6 Grad und 8 Grad (die Gelenkmanschette
beim obigen Beispiel) und 10 Grad und 15 Grad gewählt. In
allen Fällen
betrug der Gelenkwinkel 46 Grad.
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In
den 6 bis 11 sind die Konfigurationen
der Gelenkmanschetten bei der Verformung unter einem großen Winkel
gezeigt, die sich bei der Simulation mit der FEM-Analyse ergaben. Wie in der 6 zu
sehen, ist die simulierte Konfiguration bei einem Schulter-Verjüngungswinkel α von 0 Grad ähnlich dem
Röntgenphoto
der realen Gelenkmanschette, und der simulierte Schulterabschnitt 11 des Zylinderteils 1 mit
großem
Durchmesser steht an der Innenseite der Biegung nach außen vor.
Dies gilt auch für
einen Schulter-Verjüngungswinkel α von 5 Grad,
wie es in der 7 zu sehen ist, in der der Schulterabschnitt 11 des
Zylinderteils 1 mit großem Durchmesser an der Innenseite
der Biegung nach außen
vorsteht. Wenn dagegen der Schulter-Verjüngungswinkel α 6 Grad oder
größer ist,
steht der Schulterabschnitt 11 an der Innenseite nicht
mehr vor, wie es in den 8 bis 11 zu
sehen ist. Bei einem Schulter-Verjüngungswinkel α von 8 Grad
wurde ein Simulationsergebnis erhalten, das dem Röntgenphoto
der obigen realen Gelenkmanschette ähnlich ist. Aus diesen Simulationsergebnissen
folgt, daß der
Schulter-Verjüngungswinkel α des Zylinderteils 1 mit
großem
Durchmesser zum Unterdrücken
der nach außen
vorstehenden Verformung des Schulterabschnitts 11 vorzugsweise
6 Grad oder mehr beträgt,
besser noch 6 bis 15 Grad, optimal 8 Grad.
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Die 12A, 12B und 12C zeigen die Ergebnisse von FEM-Analysen für die Spannung und
den Kontaktdruck an der Gelenkmanschette nach dem obigen Beispiel
(Schulter-Verjüngungswinkel α = 8 Grad)
und an der Gelenkmanschette nach dem obigen Vergleichsbeispiel (Schulter-Verjüngungswinkel α = 0 Grad)
bei einer Verformung unter einem großen Winkel.
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Die 12A ist eine graphische Darstellung der Spannung
(der auf die Muldenabschnitte des Faltenbalgteils einwirkenden Spannung) σ gegen den Gelenkwinkel θ. Dabei
ist θmax der maximale Gelenkwinkel (46 Grad),
0,5 θmax das 0,5-fache des maximalen Gelenkwinkels,
und 0,8 θmax das 0,8-fache des maximalen Gelenkwinkels.
Das Ergebnis ist, daß die Gelenkmanschette
nach dem Beispiel beim maximalen Gelenkwinkel θmax gegenüber der
Gelenkmanschette des Vergleichsbeispiels eine um 5 % verringerte
Spannung σ aufweist.
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Die 12B ist eine graphische Darstellung des Kontaktdrucks
P1 der Zwischenbalgteile (der Druck an der Kontaktfläche der
sich vom ersten Scheitelabschnitt 32 zum zweiten Muldenabschnitt 33 erstreckenden
Flanke mit der sich vom zweiten Muldenabschnitt 33 zum
zweiten Scheitelabschnitt 34 erstreckenden Flanke) gegen
den Gelenkwinkel θ.
Das Ergebnis ist, daß der
Kontaktdruck P1 der Zwischenbalgteile bei der Gelenkmanschette nach dem
Beispiel gegenüber
der Gelenkmanschette des Vergleichsbeispiels beim maximalen Gelenkwinkel θmax um 8 % verringert ist.
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Die 12C ist eine graphische Darstellung des Kontaktdrucks
P2 zwischen der Welle und dem Faltenbalgteil gegen den Gelenkwinkel θ. Das Ergebnis
ist, daß der
Kontaktdruck P2 zwischen der Welle und dem Faltenbalgteil bei der
Gelenkmanschette nach dem Beispiel gegenüber der Gelenkmanschette des
Vergleichsbeispiels beim maximalen Gelenkwinkel θmax um
20 % verringert ist.
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Mit
diesen Ergebnissen wurde durch die Simulation bestätigt, daß die Gelenkmanschette
nach dem Beispiel gegenüber
der Gelenkmanschette des Vergleichsbeispiels eine wesentlich bessere
Haltbarkeit besitzt.
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Die
erfindungsgemäße Gelenkmanschette ist
wie beschrieben so aufgebaut, daß die Kontur des Schulterabschnitts
des Zylinderteils mit großem Durchmesser
in sich verjüngender
Form zum Zylinderteil mit kleinem Durchmesser hin geneigt ist, wodurch
es möglich
ist, die überstehende
Verformung des Schulterabschnitts einzuschränken und die Haltbarkeit wesentlich
zu verbessern.