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Die Erfindung betrifft einen Metallbalg mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbalgs.
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Metallbälge und Verfahren zur Herstellung von Metallbälgen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei eine Bauweise von Metallbälgen darin besteht, dass ein Metallrohr durch Innendruck beaufschlagt und zu einem Metallbalg verformt wird (Faltenbalg), wie beispielsweise in
DE 20 2011 102 549 U1 beschrieben. Dadurch lassen sich Metallbälge kostengünstig herstellen. Bei einer weiteren Bauweise wird ein Metallbalg durch mehrere gewellte Scheiben gebildet, wobei benachbarte Scheiben wechselweise an deren Innenseite und an deren Außenseite miteinander verschweißt werden (Membranbalg), wie zum Beispiel in
DE 20 2013 007 501 U1 beschrieben. Dadurch können bessere Verformungseigenschaften des Balges, bspw. höhere mögliche Längungen erzielt werden.
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Bei einem Faltenbalg ist von Nachteil, dass dessen Verformung, beispielsweise dessen Längung, und dessen Haltbarkeit vergleichsweise begrenzt sind. Bei einem Membranbalg ist von Nachteil, dass dessen Herstellung durch Verschweißen konstruktiv aufwändig und daher vergleichsweise teuer ist.
JP 2012 - 167 748 A und
JP 2010 - 281 443 A zeigen jeweils einen Metallbalg, an dessen Außenfalte sich jeweils ein Ringraum befindet.
JP S56 - 20 863 A zeigt einen Balg mit Ringraum an den Innenfalten und Außenfalten gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
FR 1 258 822 A zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faltenbalges durch Beaufschlagen des Innenraums mit einem Wirkmedium.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Herstellung eines hinreichend haltbaren und verformbaren Metallbalgs zu ermöglichen.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch einen Metallbalg mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach sind am Metallbalg die Innenfalten und die Außenfalten derart geformt, dass diese insbesondere in deren radialen Endbereichen (Faltenendbereich) jeweils einen Ringraum einschließen.
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Auf diese Weise ist ein Metallbalg geschaffen, der vorteilhafte Verformungseigenschaften aufweist, so können große Axialbewegungen ausgeglichen und eine hohe Längung und Verkürzung (Kompression) erreicht werden. Dies gelingt auf Grund der Tatsache, dass durch die Ausgestaltung der Innenfalten und der Außenfalten mit Ringräumen die auf die Falten wirkenden Belastungen, bspw. bei axialer Verformung (z.B. Verkürzung), reduziert sind. Dies hat Vorteile beim Einsatz des Metallbalgs, da eine verbesserte Haltbarkeit erzielt werden kann. Zudem ist durch die Falten mit Ringräumen eine kostengünstige Herstellung des Metallbalgs durch Innenhochdruckumformung (oftmals auch „Hydroforming“ bezeichnet) und Stauchen des Metallbalgs ermöglicht, da eine Beschädigung der Falten vermieden werden kann. Mit anderen Worten weist der vorgeschlagene Metallbalg in seiner Verwendung die Vorteile eines Membranbalges auf, ist jedoch kostengünstiger herstellbar. Die Innenfalten können auch als „innere Falten“ und die Außenfalten auch als „äußere Falten“ bezeichnet werden.
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Die Falte, die den Ringraum einschließt, kann im Querschnitt die Form einer Schlaufe, Öse oder dergleichen aufweisen. Der Ringraum kann nicht ausschließlich, bspw. abschnittsweise, einen kreisförmigen, elliptischen oder ovalen Querschnitt aufweisen. Hierbei sind symmetrische oder unsymmetrische Ausgestaltungen möglich. Bei dem vorliegenden Metallbalg handelt es sich insbesondere um einen durch Innenhochdruckumformung hergestellten und anschließend verformten, insbesondere gestauchten, Faltenbalg.
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Der Übergang von benachbarten Wandungsflanken zu einer an diesen Wandungsflanken ausgebildeten Falte, z.B. von zwei benachbarten Wandungsflanken zu einer Außenfalte, ist insbesondere derart ausgebildet, dass Abschnitte benachbarter Wandungsflanken direkt aneinander anliegen (Kontaktbereich). Dieser Kontaktbereich liegt an der diesen Wandungsflanken zugewandten Seite des Ringraums. Durch das direkte Anliegen ist der Ringraum geschlossen. Die benachbarten Wandungsflanken können im Kontaktbereich einen Linienkontakt (z.B. Kreislinie) oder einen flächigen Kontakt (z.B. Kreisring) ausbilden.
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Diese Kontaktbereiche bewirken eine Begrenzung der Biegebelastung an den jeweils den Wandungsflanken radial gegenüberliegenden Begrenzungen der Ringräume der Innen- und Außenfalten durch Umlenkung der Balg-Axial-Bewegungen in ein Abrollen der aneinander angrenzenden Wandungsflanken aufeinander.
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Im Konkreten sind die Innenfalten und Außenfalten insbesondere kontinuierlich miteinander verbunden, und zwar über zwischenliegende Wandlungsflanken. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Wandungsflanken, die an eine identische Falte angrenzen, kann auch als „Teilung“ bezeichnet werden. Bezogen auf die Längsachse ist die Innenfalte radial innen und die Außenfalte radial außen angeordnet (radiale Richtung orthogonal zur Längsachse orientiert). Die Innenfalte bildet ein „Tal“. Die Außenfalte bildet einen „Berg“. Eine Außenfalte und die an diese Außenfalte angrenzenden Wandungsflanken bilden eine Wellung. Entlang der Längsachse benachbarte Wellungen sind über eine Innenfalte miteinander verbunden.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung können die Innenfalten und/oder die Außenfalten den Ringraum jeweils unmittelbar umschließen. Dies bedeutet, dass die Wandungen der Falten direkt an die Ringräume grenzen. Hierdurch ist eine konstruktiv einfache Ausgestaltung der Falten ohne weitere Bestandteile ermöglicht (Außenfalte/Innenfalte und/oder Ringraum frei von weiteren Bestandteilen). Zudem umschließen die Innenfalten und/oder die Außenfalten den Ringraum jeweils insbesondere vollständig. Auch dies trägt zu einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung bei.
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In vorteilhafter Weise können die Wandungsflanken gleichsinnig oder gegensinnig gewellt sein. Dadurch ist die Stabilität der Wandungsflanken erhöht. Zudem ist von Vorteil, dass bei Kompression des Metallbalgs benachbarte Wandungsflanken flächig, ggf. großflächig, aneinander anliegen können. Die Wandungsflanken können im Querschnitt S-förmig oder schlangenlinienförmig (mäanderförmig bzw. hin- und hergehend) ausgebildet sein.
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In zweckmäßiger Weise können die Wandungsflanken kontinuierlich in die Innenfalten und/oder die Außenfalten übergehen. Mit anderen Worten sind die Wandungsflanken und die Außenfalten und die Innenfalten einstückig ausgebildet. Somit kann eine Schwächung der Wandungsflanken und/oder der Falten in Form von Sollbruchstellen vermieden werden. Insbesondere sind die Wandungsflanken und/oder die Falten frei von radialen Schweißnähten (Schweißnaht entlang der Längsachse des Metallbalges kann vorhanden sein).
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Im Konkreten weist die Balgwandung an den Außenfalten eine geringere Wandstärke auf als an den Innenfalten. Dadurch ist die Balgwandung insbesondere auf Grund der Innenhochdruckumformung an den Außenfalten elastischer als an den Innenfalten, wobei die Ausgestaltung der Außenfalten mit Ringräumen die Außenfalten vor Überlastung schützt.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Ringraum in radialer Richtung eine Höhe (Höhe des Ringraums orthogonal zur Längsachse) aufweisen, die weniger als 50 Prozent, vorzugsweise weniger als 30 Prozent, weiter vorzugsweise weniger als 20 Prozent, der Höhe zwischen Außenfalte und Innenfalte beträgt. Dadurch lässt sich eine hinreichende Entlastung der Falten erzielen, ohne die Herstellung oder die Verformung des Metallbalgs im Betrieb zu sehr einzuschränken.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbalgs, wie voranstehend beschrieben, gelöst. Danach zeichnet sich der Metallbalg durch folgende Schritte aus:
- - Einlegen eines Metallrohrs (Halbzeug) in ein Formwerkzeug,
- - Verformen des Metallrohrs zu einem Metallbalg durch Beaufschlagen des Metallrohrinnenraums mit einem unter Druck stehenden Wirkmedium, wobei durch Zusammenwirken mit Formelementen des Formwerkzeugs Innenfalten, Außenfalten und Wandungsflanken des Metallbalgs ausgebildet werden, und
- - Stauchen des Metallbalgs entlang dessen Längsachse, wobei die Innenfalten und die Außenfalten derart verformt werden, dass diese jeweils einen insbesondere geschlossenen Ringraum einschließen oder bilden.
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Hinsichtlich der mit dem Verfahren erzielbaren Vorteile wird auf die voranstehenden Ausführungen zum Metallbalg verwiesen.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung können während des Verformens des Metallrohrs zu einem Metallbalg die Wandungsflanken derart verformt werden, dass diese gleichsinnig oder gegensinnig gewellt sind. Dadurch wird den Wandungsflanken die gewellte Struktur auf konstruktiv besonders günstige Weise aufgebracht, wobei diese Aufbringung gemeinsam innerhalb lediglich eines Arbeitsschrittes erfolgt. Durch die gewellte Struktur wird die Steifigkeit der Wandungsflanken erhöht.
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In vorteilhafter Weise kann das Stauchen des Metallbalgs dadurch erfolgen, dass die Formelemente des Formwerkzeugs entlang der Längsachse des Metallbalges verfahren werden, insbesondere bis die Wandungsflanken und/oder die Formelemente miteinander auf Block liegen. Dadurch ist in einem Arbeitsschritt eine zuverlässige Aufbringung von Merkmalen auf den Metallbalg ermöglicht, wobei das „auf Block liegen“ zuverlässig das Ende der Verformung signalisiert. Mit anderen Worten werden die Formelemente des Formwerkzeugs entlang der Längsachse des Metallbalges aufeinander zu bewegt, bis die Wandungsflanken und/oder die Formelemente miteinander auf Block liegen und eine weitere Stauchung des Metallbalges nicht möglich ist. Dabei liegt ein Formwerkzeug zwischen zwei Wandungsflanken, die über eine Innenfalte oder eine Außenfalte miteinander verbunden sind.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung können das Verformen des Metallrohrs zu einem Metallbalg und das Stauchen des Metallbalgs durch dasselbe Formwerkzeug erfolgen. Dadurch ist die kostengünstige Herstellung des Metallbalgs abermals begünstigt, da lediglich ein Formwerkzeug benötigt und eine Handhabung des Metallbalgs zum Umlagern in ein weiteres Werkzeug nicht erforderlich ist. Durchlaufzeiten, apparative Hilfsmittel zur Umlagerung und Stellfläche in einer Fertigung können eingespart werden.
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Zur weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Metallbalgs können die im Zusammenhang mit dem Metallbalg beschriebenen Maßnahmen dienen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert, wobei gleiche oder funktional gleiche Elemente teilweise nur einmal mit Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform des Metallbalgs in einer schematischen Schnittansicht (Teilschnitt).
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1 zeigt einen Metallbalg, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Metallbalg 10 weist eine sich um eine Längsachse 12 erstreckende und einen Balginnenraum 14 umschließende Balgwandung 16 auf. Die Balgwandung 16 weist Innenfalten 18 und Außenfalten 20 auf, die über Wandungsflanken 22 miteinander verbunden sind.
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Die Innenfalten 18 und die Außenfalten 20 sind derart geformt, dass von den Innenfalten 18 und von den Außenfalten 20 jeweils ein Ringraum 24, 25 eingeschlossen ist. Der entlang der Längsachse 12 orientierte innenliegende Abstand 26 zwischen zwei benachbarten Wandungsflanken 22 nimmt zur Außenfalte 20, also ausgehend von der Innenfalte 18 nach radial außen, zunächst ab, bis Abschnitte der Wandungsflanken 22 in einem Kontaktbereich 28 direkt aneinander anliegen und einen flächigen Kontakt ausbilden. Im Ringraum 24 nimmt der Abstand 26 wieder zu. Mit anderen Worten folgt auf einen Bereich, in dem benachbarte Wandungsflanken 22 voneinander beabstandet sind (beabstandeter Bereich 27), nach außen der Kontaktbereich 28 und darauf der Ringraum 24.
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Entsprechendes gilt für den entlang der Längsachse 12 orientierten außenliegenden Abstand 29 zwischen zwei benachbarten Wandungsflanken 22. Der außenliegende Abstand 29 nimmt nach radial innen zunächst ab, bis Abschnitte der Wandungflanken 22 in einem Kontaktbereich 28' direkt aneinander anliegen und einen flächigen Kontakt ausbilden. Im Ringraum 25 nimmt der Abstand 29 wieder zu. Mit anderen Worten folgt auf einen Bereich, in dem benachbarte Wandungsflanken 22 voneinander beabstandet sind (beabstandeter Bereich 27) nach innen der Kontaktbereich 28' und darauf der Ringraum 25.
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Im Querschnitt bilden die Innenfalte 18 und Außenfalte 20 jeweils eine Öse, Schlaufe oder Schleife aus. Eine Innenfalte 18 bildet ein Tal 30. Eine Außenfalte 20 bildet einen Berg 32. Eine Außenfalte 20 und die an diese Außenfalte 20 angrenzenden Wandungsflanken 22 bilden eine Wellung 34. Die Außenfalten 20 umschließen den Ringraum 24 jeweils unmittelbar und vollständig. Die Innenfalten 18 umschließen den Ringraum 25 unmittelbar und vollständig.
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Die Wandungsflanken 22 sind gleichsinnig gewellt. Dies bedeutet, dass die Wandungsflanken 22 derart gewellt sind, dass benachbarte Wandungsflanken 22 bei Kompression des Metallbalgs 10 größtenteils aneinander anliegen. Die Wandungsflanken 22 weisen im Querschnitt ein schlangenlinienförmiges Profil auf.
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Die Wandungsflanken 22, die Innenfalten 18 und die Außenfalten 20 gehen kontinuierlich ineinander über, sind also einstückig ausgebildet. Die Wandungsflanken 22, die Innenfalten 18 und/oder die Außenfalten 20 sind somit frei von radialen Schweißnähten. Die Balgwandung 16 weist an den Außenfalten 20 eine geringere Wandstärke auf als an den Innenfalten 18.
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Der Ringraum 24, 25 weist in radialer Richtung jeweils eine Höhe 36 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel weniger als 20 Prozent der Höhe zwischen einer Außenfalte 20 und der Innenfalte 18 beträgt.
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Das Verfahren zum Herstellen eines Metallbalgs 10 arbeitet folgendermaßen:
- Zunächst wird ein insbesondere mit einer Längsnaht verschweißtes Metallrohr, das ein Halbzeug für einen noch zu fertigenden Metallbalg 10 darstellt, in ein Formwerkzeug (nicht dargestellt) eingelegt (manuelles oder maschinelles Einlegen).
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Anschließend erfolgt ein Verformen des Metallrohrs zu einem Metallbalg 10 durch Beaufschlagen des Metallrohrinnenraums mit einem unter Druck stehenden Wirkmedium, beispielsweise einem Wasser-Öl-Gemisch. Durch Zusammenwirken mit Formelementen des Formwerkzeugs (nicht dargestellt) werden Innenfalten 18, Außenfalten 20 und Wandungsflanken 22 des Metallbalgs 10 ausgebildet.
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Danach erfolgt ein Stauchen des Metallbalgs 10 entlang dessen Längsachse 12, wobei die Innenfalten 18 und die Außenfalten 20 derart verformt werden, dass diese jeweils den innenliegenden Ringraum 24, 25 einschließen. Die Innenfalten 18, die Außenfalten 20 und/oder der Ringraum 24, 25 können die voranstehend bereits beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
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Während des Verformens des Metallrohrs zu einem Metallbalg 10 werden die Wandungsflanken 22 derart verformt, dass diese gleichsinnig oder gegensinnig (nicht dargestellt) gewellt sind. Nach Verformung weisen die Wandungsflanken 22 im Querschnitt eine Schlangenlinienform auf.
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Das Stauchen des Metallbalgs 10 erfolgt dadurch, dass die Formelemente des Formwerkzeugs (nicht dargestellt) entlang der Längsachse 12 des Metallbalgs 10 derart verfahren und aufeinander zu bewegt werden, bis die Wandungsflanken 22 und/oder die Formelemente miteinander auf Block liegen.
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Das Verformen des Metallrohrs zu einem Metallbalg 10 und das Stauchen des Metallbalgs 10 erfolgen durch dasselbe Formwerkzeug (nicht dargestellt).