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Hintergrund
der Erfindung Feld der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Dichtung,
die ein externes Gehäuse
aufweist, die beispielsweise als Wellendichtungs-Vorrichtung in
einer Kühlwasser-Pumpe
für einen
Fahrzeug-Motor verwendet wird.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Mechanische
Dichtungen mit externen Gehäusen,
wie sie in 1 als Typ einer mechanischen
Dichtung dargestellt sind, sind bekannt (siehe japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung
H1-18931 und die US Patente 5676382, 5199719, 4779876 und 4451049).
Solch eine mechanische Dichtung besteht im Wesentlichen aus einem
inneren umfänglichen
Gehäuse,
welches an der Welle eines Antriebsmechanismus befestigt und mit
der Welle drehbar ist, beispielsweise eine Fahrzeugmotor-Kühlwasserpumpe, sowie einem äußeren umfänglichen
Gehäuse,
welches an einem Pumpengehäuse
befestigt ist. Ein Gegenring 1 als Gleit-[gegen]Element,
welches sich mit der Welle dreht, ist in dem inneren umfänglichen
Gehäuse
installiert, wobei die inneren umfänglichen und die Rückseiten
des Gegenrings 1 im Presssitz über eine Außenringdichtung 2 in
ein annähernd
U-förmiges
Querschnitts-Ende 3a einer Hülse 3 stehen.
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In
dem äußeren umfänglichen
Gehäuse
wird ein Dichtungsring 4, der gegen den Gegenring 1 gleitet, sowie
ein Balg 5, der dazu verwendet wird, den Dichtungsring 4 in
axialer Richtung vorzuspannen, nebeneinander angeordnet und in einen
Einsatz 6 mit im Wesentlichen U-förmigem Querschnitt eingesetzt.
Die Enden 5a und 5b des Balgs 5 sind
mittels einer Spulenfeder 8 durch einen Federhalter 7 beide
in axialer Richtung vorgespannt und ebenso sicher an dem Dichtungsring 4 und
dem Einsatz 6 befestigt.
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In
dem oben genannten inneren umfänglichen
Gehäuse
sitzt der Gegenring 1 in dem Ende 3a der Hülse 3 mit
im Wesentlichen U-förmigem Querschnitt über einer
Außenringdichtung 2,
während
in dem äußeren umfänglichen
Gehäuse
der Dichtungsring 4 über
den Balg 5, den Federhalter 7 und den Balg 5 in
den Einsatz 6 eingesetzt ist; und anschließend wird
der innere Gehäuseabschnitt 3b der
Hülse 3 in
die innere Seite des inneren Gehäuses 6b des
Einsatzes 6 eingeführt;
dann wird die Spitze 3c des inneren Gehäuseabschnitts 3b der
Hülse 3 auf
gespreizt, wodurch eine mechanische Dichtung integriert wird. Diese
auf eine derartige Weise integrierte mechanische Dichtung wird unter
Verwendung eines Befestigungsschubs, beispielsweise um eine Pumpenwelle
und in das Gehäuse,
in den Presssitz überführt.
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Die
Gleitfläche 4a wird
durch die Vorspannkräfte
von den Balgen 5 und der Spulenfeder 8, die im
komprimierten Zustand in axialer Richtung gegen den Gegenring 1 ausgeübt wird,
derart gedrückt,
dass ein geeigneter Flächendruck
hierauf zur Verfügung
gestellt wird.
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Jedoch
ist der in 1 dargestellte Typ mechanischer
Dichtung dahingehend ineffizient, dass ein Versuch der Anpassung
auf den in der letzten Zeit beschleunigten Trend zur Verkleinerung,
beispielsweise in Kühlwasser-Pumpen,
an denen die mechanischen Dichtungen befestigt sind, es schwierig
machen, die Größe der Spulenfeder 8 in
axialer Richtung zu reduzieren, ohne ihren Durchmesser zu erhöhen; dies
liegt daran, dass die Spulenfeder 8, die sich in axialer
Richtung erstreckt, in den Einsatz 6 eingesetzt ist und
die Enden 5a und 5b des Balgs 5 beide
innerhalb des Gehäuses 6 derart
gehalten sind, dass die mechanische Dichtung nicht deren wesentliche
Größen-Reduzierung
oder Verkleinerung in axialer Richtung erlaubt, wodurch das Ziel einer
Verkleinerung einer Pumpe verhindert wird.
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Ein
anderer Nachteil ist der, dass in der in 1 dargestellten
mechanischen Dichtung der Flächendruck
auf die Gleitfläche 4a des
Dichtungsrings 4 gegen den Gegenring 1 durch die
Vorspannkraft der Spulenfeder 8, die mit der Vorspannkraft
des Balgs 5 gekoppelt ist, erzeugt wird, wo die Proportion
der Vorspannkraft von dem Balg 5 in Bezug auf die gesamte
Vorspannkraft, die zusammen mit den unvermeidlichen Veränderungen
der Vorspannkraft, die von der Teileherstellung und der Befestigungs-Präzision abhängt, groß ist, wodurch diese
gegenläufigen
Effekte auf das Dichtungs-Verhalten unvermeidlich werden.
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Die
Vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Verkleinerung einer mechanischen
Dichtung mit minimalen Variationen der Last an den Gleitoberflächen zur
Verfügung
zu stellen.
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Die
US 5,797,602 offenbart eine
mechanische Dichitung für
eine Wasserpumpe eines Schwerlast-Kraftfahrzeugs. Die Dichtungsanordnung
beinhaltet zwei Dichtungsringe, wobei der Dichtungsring (
71)
ein rotierender Ring ist und auf einem Elastomer-Abstützring (
77)
abgestützt
ist, der auf einem tassenförmigen
Antriebsteil (
76) aufsitzt. Der andere Dichtungsring (
72)
ist in einem Befestigungs-Element (
82) angeordnet.
4 zeigt, dass das Befestigungs-Element
(
82) einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitts-Abschnitt aufweisen
kann. Der Dichtungsring (
721 wird relativ zum Gehäuse mittels
eines kreisförmigen
Balges (
88), der aus einem Elastomer-Material aufgebaut
ist und einen im Wesentlichen U-förmigen radialen Querschnitts-Abschnitt
aufweist, abgedichtet. Eine aufgewickelte Kompressionsfeder (
93)
ist innerhalb des Befestigungs-Elements (
82) in umgebender
Beziehung zu einem Hülsenteil
(
92) des Balgs (
88) positioniert.
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Die
US 2,984,506 offenbart eine
Boot-Dichtung (boot seal), die in einem Gehäuse befestigt ist und ein Metallgehäuse (
11)
beinhaltet. Ein Metall-Karbon-Abdichtungsring-Trägerring (
12) ist frei
in dem Gehäuse
(
11) eingesetzt. Der Träger
(
12) weist eine Aufnahme auf, die einen Karbon-Dichtungsring
(
13), der in einen Face-to-Face-Dichtungseingriff mit einem
sich drehenden Metall-Abdichtungsring (
14), der an der
Welle befestigt ist, aufnimmt. Ein metallener Klemmring (
17),
der auf dem Trägering
(
12) aufsitzt, umgibt ein Ende des boots (
16),
um dieses Ende, wo ein Ring (
18) das andere Ende des Boots
(
16) umgibt und gegen einen externen Endflansch (
16f)
des Boots aufsitzt, absichert. Eine Vielzahl von Wellen-Distanz-Federn (
19)
mit dazwischengesetzten flachen Distanzstücken (
20) umgibt den
boot (
16) mit einem auf die Gehäusewand (
11b) aufgesetzten
Ende und dem anderen Ende, welches gegen den Klemmring (
17)
gedrückt
ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine mechanische Dichtung vorgesehen, die ein inneres
umfängliches
Gehäuse
umfasst, welches an der Welle eines Antriebsmechanismus befestigt
und mit der Welle drehbar ist, sowie ein äußeres umfängliches Gehäuse, welches
an dem Gehäuse
des Antriebsmechanismus befestigbar ist, wobei das innere umfängliche
Gehäuse
aufweist: einen Gegenring, der als Gleit-Element, welches drehbar mit der Welle
ist, befestigt ist, wobei die inneren umfänglichen und die Rückseiten
des Gegenrings in das Ende einer Hülse über einer Außenring-Dichtung im Presssitz
steht, wobei die Hülse
zu dem inneren umfänglichen
Gehäuse
gehört;
und das äußere umfängliche
Gehäuse
aufweist: einen Dichtungsring, der darin befestigt ist, welcher
gegen den Gegenring gleitet; und einen Gummibalg neben dem Dichtungsring zum
Vorspannen des Dichtungsring in einer axialen Richtung, wobei der
Balg und der Dichtungsring in einen Einsatz mit annähernd U-förmigem Querschnitt
eingesetzt sind, und wobei dieser Einsatz zu dem äußeren umfänglichen
Gehäuse
gehört,
wobei: der Balg einen annähernd
U-förmigen
Aufbau aufweist, der verhindert, dass das Gummi während der
Kompression des Balgs einem extremen Falten unterliegt, und dadurch
gekennzeichnet, dass: der Einsatz des Weiteren eine gewickelte Wellenfeder
enthält,
die spiralförmig
nahe eines dünnen
Streifens gewickelt ist, und wobei die gewickelte Wellenfeder in
einem komprimierten Zustand zwischen einem Ende des Balgs neben
dem Dichtungsring sowie einer Mittenwand des Einsatzes eingesetzt
ist, wobei der Balg an der inneren umfänglichen Seite der gewickelten
Wellenfeder und von dieser entfernt befestigt ist und das andere
Ende des Balgs durch ein Antriebsband gegen das innere umfängliche
Gehäuse
des Einsatzes gehalten wird, wobei dieses Antriebsband dazu dient,
den Balg vom Rutschen relativ zum Gleit-Drehmoment abzuhalten.
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Konventionelle
mechanische Dichtungen verwenden eine zylindrische oder konische
Spiralfeder, um einen Flächendruck,
d.h. eine Last gegen die Gleitoberfläche aufzubringen. Daher begrenzen
Faktoren so wie die Spiralfeder-Last, der Draht-Durchmesser, die
Anzahl von Windungen und dergleichen inhärent das Maß, in dem die Größe der Feder
in axialer Richtung reduziert werden konnte, ohne deren Größe in radialer
Richtung zu erhöhen.
Im Gegensatz hierzu weist die Erfindung ein Merkmal dahingehend
auf, dass es die konventionelle zylindrische oder konische Spiralfeder
durch eine spiralförmige
Wellenfeder ersetzt, und einen Gummibalg verwendet, dessen eines
Ende mit einem Antriebsband versehen ist. Dieser Aufbau ermöglicht es,
die Federgröße in axialer
Richtung wesentlich zu reduzieren, wodurch es möglich wird, die mechanische
Dichtung zu verkleinern und zur gleichen Zeit die Last-Variation
an der Gleitoberfläche
zu minimieren.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine vertikale Querschnittsansicht einer konventionellen mechanischen
Dichtung. 2 ist eine vertikale Querschnittsansicht
einer mechanischen Dichtung in Übereinstimmung
mit der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. 3(a) ist eine
flache schematische Zeichnung einer spiralförmigen Wellenfeder, die an
einer mechanischen Dichtung befestigt ist; 3(b) ist
eine Querschnittsansicht einer schematischen Zeichnung der spiralförmigen Wellenfeder
in Übereinstimmung
mit 3(a).
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Eine
auf die Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bezogene mechanische Dichtung ist durch Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. 2 ist
eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer mechanischen Dichtung,
die auf die Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bezogen ist. Wie bei der mechanischen
Dichtung gemäß dem Stand
der Technik steht ein Gegenring 11 über eine Außenring-Dichtung 12 an
der inneren umfänglichen
und den Rückseiten
hiervon in einer Hülse 13 im
Presssitz. Dabei liegt eine Anzahl von Arten von Unterschieden beim
Gegenring 11 bezüglich
der Hülse 13 vor;
das vorliegende Beispiel erzielt die Unterschiede durch Bereitstellen
des Gegenrings an dessen äußerer umfänglichen
Seite mit zumindest zwei Einkerbungen, in die an der äußeren umfänglichen
Seite der Hülse
erzeugte Vorsprünge
eingreifen (diese sind nicht dargestellt).
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Ein
Dichtungsring 14, ein Gleit-Element an der an dem Gehäuse einer
Pumpe befestigten Seite ist mit dem Balg 15, dem Gehäuse 17,
dem Antriebsband 19 und der spiralförmigen Wellenfeder 18 in
den Einsatz 16 eingesetzt. Hierbei sind das Antriebsband 19 und
das Gehäuse 17 an
der äußeren umfänglichen
Seite des Balgs 15 befestigt und die Anordnung ist an dem
inneren Gehäuseabschnitt 16a des
Einsatzes 16 befestigt. Der Balg 15, der zwischen
dem Antriebsband 19 und dem inneren umfänglichen Abschnitt 16a des
Einsatzes 16 eingesetzt ist, weist einen geeigneten Interferenz-Einsatz
zum Sichern der Abdichtbarkeit und der Befestigungskraft auf. Zur
Positionierung des Balgs 15 während dessen Befestigung in
einer geeigneten Position des Einsatzes 16 wird die Endoberfläche 17a des
Gehäuses 17 gespreizt,
wobei eine Endoberfläche 19b dem
Antriebsband 19 gegenüberliegt.
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Somit
werden, wenn Kraft dazu aufgebracht wird, den äußeren umfänglichen Abschnitt 17b des
Gehäuses 17 nach
rechts in der Zeichnung in Richtung des Komprimierens der spiralförmigen Wellenfeder 18 zu drücken, die
Endoberfläche 17a des
Gehäuses 17 in
Kontakt mit der Endoberfläche 19b des
Antriebsband 19 kommen und umgekehrt das Antriebsband 19 in
Richtung nach rechts gedrückt
wird; als Ergebnis erreicht dies die Befestigung des Balgs 15 in
geeigneter Position in Bezug auf den inneren Gehäuseabschnitt 16a des
Einsatzes 16. Anschließend
wird erwartet, dass das Absichern des Balgs an dem inneren umfänglichen
Abschnitt des Einsatzes unter Verwendung des Antriebsbands 19 verhindert,
dass der Balg in Bezug auf das Gleit-Drehmoment abgleitet.
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Zusätzlich können der
Dichtungsring 14 und der Balg 15 durch erstens
ein konisch zulaufendes Vorsehen des äußeren umfänglichen Abschnitts 17b des
Gehäuses 17,
zweitens ein Einstellen des Dichtungsrings 14 in der inneren
Seite des inneren Gehäuseabschnitts 15c des
Balgs 15 und drittens ein Verengen des äußeren umfänglichen Abschnitts 17b des
Gehäuses 17 von
der äußeren umfänglichen
Seite abgesichert werden. Der Balg 15 weist einen geeigneten
Interferenz-Einsatz auf, um so dessen Abdichtbarkeit und Absicherungskraft
sicherzustellen. Die spiralförmige
Wellenfeder 18 ist zwischen dem Gehäuse 17 und dem Einsatz 16 eingesetzt.
Der Balg 15 kann so erzeugt sein, dass er einen unterschiedlichen
Aufbau verglichen mit dem aus dem Stand der Technik aufweist, um
das Ausmaß an
Biegung zu reduzieren, wodurch die Drucklast, die es erzeugt reduziert
wird und dessen Variation minimiert wird.
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Üblicherweise
wird Gummi, ein Elastomer-Material für den Balg verwendet, um so
die Betriebs-Abdichtflüssigkeit
abzudichten und eine geeignete Druckkraft gegen den Abdichtungsring
aufzubringen. Die Druckkraft wird hauptsächlich über die Feder zur Verfügung gestellt,
jedoch erzeugt der Balg, wenn er im komprimierten Zustand befestigt
ist, eine Last als dessen Gegenwirk-Kraft. Dies bedeutet, dass die
Gesamtlast als Drückkraft
die Summe der Lasten von der Feder und dem Balg ist. Es sollte angemerkt
werden, dass der Balg, hergestellt aus Gummi, über die Zeit aufgrund der Betriebs-Abdichtflüssigkeit
und des Effekts von Hitze, nachlässt
und eine reduzierte Balg-Last erzeugt, wodurch die Druckkraft verringert
wird. Eine Abnahme der Druckkraft wird den Druck gegen die Gleitoberfläche verringern,
was zur Besorgnis, dass die Abdichtfähigkeit verloren gegen könnte, beiträgt. Auf
der anderen Seite sollte die Gesamtlast vorzugsweise in Bezug auf
Drehmoment-Verlust und Geräusch-Unterdrückung geringer
sein.
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Um
die oben genannten Probleme zu lösen
wurde die vorliegende Erfindung mit einem verbesserten Weg für den Balg,
der so gefaltet wird, dass die von dem Balg ausgeübte Gegen-Kraft
reduziert wird zur Verfügung
gestellt. Das bedeutet, dass im Gegensatz zur mechanischen Dichtung
gemäß dem Stand
der Technik, die einen Balg aufweist, der in einem extremen Maße in die
in 1 gezeigte im Wesentlichen hervorstehende Form
gefaltet ist, lediglich in eine im Wesentlichen pfannenförmigen Querschnittsform
gefaltet ist, wie dies in 2 gezeigt
ist. Als Ergebnis dessen, wird, wie dies in Tabelle 1 gezeigt ist,
die Balg-Last als Gegen-Kraft auf 3,92 N (0,4 kgf) ausgehend von
einem Wert des Stands der Technik von 9,80 N (1,0 kgf) reduziert,
wobei dieser Unterschied die Gesamtlast in dieser Erfindung reduziert.
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Die
Veränderung
der Form des Balgs in einen annähernd
U-förmigen Querschnitt
kann zur gleichen Zeit die Biegebelastung des installierten Balgs
reduzieren, wodurch ebenso ermöglicht
wird, die Verschlechterung des Balgs über seine Lebensdauer zu minimieren.
Analytische Ergebnisse der auf den Balg ausgeübten maximalen Biegebelastungen
sind in Tabelle 2 gegeben. Tabelle 2 zeigt, dass der Balg gemäß der vorliegenden
Erfindung eine jeweils niedrigere maximale Biegebelastung von 2,75
MPa (0,28 kgf/mm2) bei Atmosphärendruck
und 11,28 MPa (1,15 kgf/mm2) bei einem Fluiddruck
von 0,29 MPa (3 kg/cm2) als den des Balgs
gemäß dem Stand
der Technik bei 6,86 MPa (0,70 kgf/mm2)
und 14,02 MPa (1,43 kgf/mm2) aufweist. Die
Reduzierung der Biegung des Balgs verhindert Risse oder Abrisse
des flexiblen Teils des Gummibalgs, nachdem dieser über eine
lange Verwendungsperiode in einer mechanischen Dichtung unterworfen
wurde, wodurch ebenso zur verbesserten Dichtungs-Zuverlässigkeit
beigetragen wird.
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Tabelle
1 Lasten
auf dem Balg (Einheit:
N (kgf))
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Tabelle
2 Analytische
Ergebnisse der maximalen Biegebelastung auf den Balg Einheit:
MPa (kgf/mm
2)
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Die
Formgebung des Balgs in eine annähern
U-förmige
Querschnittsform reduziert die Variation der Balg-Last, was in einer
reduzierten Variation der Gesamtlast und einer erhöhten Abdichtungs-Stabilität resultiert.
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Zusätzlich ist
die mechanische Dichtung so aufgebaut, dass sie den Dichtungsring 14 davon
abhält, sich
in Bezug auf das Gleit-Drehmoment mittels zumindest zweier Arretierungen
an gegenseitigen Eingriffspositionen am inneren umfänglichen
Abschnitt des Dichtungsrings 14 und der Endoberfläche 16b des
Einsatzes 16 zu drehen.
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Eine
spiralförmige
Wellenfeder 18 wird im komprimierten Zustand zwischen das
Gehäuse 17 an
einem Ende 15a des Balgs 15 und einer Mittelwand 16b des
Einsatzes 16, der eine annähernd U-förmige Querschnittsform aufweist,
eingesetzt. Die spiralförmige
Wellenfeder 18 ist, wie dies in 3 gezeigt
ist, spiralförmig
nahe einem dünnen
Blech gewickelt; ein Beispiel dieser Spezifikation ist wie in Tabelle
3 unten für
die gesamt Anzahl von Windungen, die effektive Anzahl von Windungen,
die Anzahl von Wellen/Wicklungen, die Länge der Spitzen/Flachabschnitte
sowie der Wicklungsrichtung angegeben.
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[Vorteilhafter Effekt
der Erfindung]
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Die
Verwendung einer spiralförmigen
Wellenfeder als Kompressions-Feder und die Befestigung eines leicht
gebogenen Gummibalgs in einer inneren umfänglichen Seite hiervon erlaubt
die wesentliche Reduzierung der Größe (einer mechanischen Abdichtung)
in axialer Richtung. Die Reduzierung der Größe einer mechanischen Dichtung
in axialer Richtung wird die Verkleinerung der Pumpe, die hieran
befestigt werden soll, ermöglichen,
und ebenso zu einer insgesamten Kostenreduzierung beitragen. Darüber hinaus
wird die Verbesserung der Form des Balgs die Variation der Belastungen
auf den Balg minimieren und gleichzeitig die Variation der Gesamtlast.
Die Minimierung der Variation der Gesamtlast ist im Wesentlichen
für die
Stabilisierung der Abdichtfähigkeit
ausschlaggebend. Die reduzierte Biegung des Balgs wird Risse oder
Abrisse des flexiblen Abschnitts des Gummibalgs nach dessen Verwendung über eine
lange Zeitdauer verhindern. Der Balg wird an einem inneren umfänglichen
Abschnitt unter Verwendung eines Antriebsbands abgesichert, wodurch
die Eignung erhöht
wird, einen Schlupf bzgl. des Gleit-Drehmoments zu verhindern.
