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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Faltenbalg mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Faltenbälge kommen in unterschiedlichen Bereichen der Technik zum Einsatz. Die Funktion besteht in jedem Fall darin, einen Innenraum des Faltenbalgs zu schützen, bspw. vor Verschmutzung oder Feuchtigkeit. Der Faltenbalg besteht hierbei im Wesentlichen aus einem den Innenraum umgebenden Mantel, in dem in Längsrichtung aufeinanderfolgend mehrere Falten ausgeformt sind, so dass sie ziehharmonikaartig zusammenfaltbar sind. Faltenbälge können bspw. aus einem thermoplastischen Elastomer oder auch aus Gummi hergestellt werden.
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U.a. können durch Faltenbälge sich mechanisch ineinander schiebende Maschinenteile, Lager in Gelenken oder auch knickende Kabel geschützt werden. Eine typische Anwendung besteht darin, bei einer Kolben-Zylinder-Einheit wie bspw. einem Stoßdämpfer eines Kraftfahrzeugs die Kolbenstange sowie den Übergangsbereich zwischen Kolbenstange und Zylinderkörper zu schützen. Im Falle eines Stoßdämpfers umgibt der Faltenbalg zumindest die Kolbenstange. Er kann hierbei seinerseits von einer um den Stoßdämpfer herum angeordneten Spiralfeder umgeben sein.
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Typischerweise kann das vom Faltenbalg umschlossene Volumen in einfacher Weise durch eine Längenänderung des Balgs vergrößert werden, wobei die Falten auseinandergezogen werden. Hingegen ist eine Expansion quer zur axialen Richtung nur begrenzt möglich, so dass durch eine bestimmte Länge, auf die der Faltenbalg auseinandergezogen bzw. zusammengedrückt ist, das eingeschlossene Volumen im Wesentlichen vorgegeben ist. Bei typischen Anwendungen kann allerdings die axiale Ausdehnung des Faltenbalgs zeitlich erheblich variieren, bspw. um einen Faktor 2 oder auch mehr. Hieraus ergeben sich Volumenänderungen, die in der gleichen Größenordnung liegen. Ist der Faltenbalg gasdicht verschlossen und wird ein innerhalb des Faltenbalgs befindliches Gas auf ein kleineres Volumen komprimiert, führt dies zu einer Druckerhöhung, die der freien Beweglichkeit des Faltenbalgs entgegensteht und diesen potentiell sogar beschädigen könnte. Entsprechendes gilt für eine erzwungene Expansion des Gases auf ein größeres Volumen, die zu einem Unterdruck führt.
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Um die bei der Kontraktion und Expansion des Faltenbalgs auftretenden Druckunterschiede auszugleichen, wird im Stand der Technik für einen Gasaustausch zwischen dem Inneren des Faltenbalgs und entweder der Umgebung oder einem angeschlossenen Ausgleichsbehälter gesorgt. Erfolgt der Gasaustausch mit der Umgebung, ist es unvermeidlich, dass Feuchtigkeit und Schmutzpartikel in das Innere des Faltenbalgs gelangen und somit früher oder später die Funktion der zu schützenden Elemente im Inneren beeinträchtigen oder sogar verhindern. Man kann zwar das Eindringen von Schmutzpartikeln bspw. durch Labyrinthdichtungen verlangsamen, allerdings bedeuten diese einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand und können das Problem nicht grundsätzlich beseitigen. Insbesondere bieten sie kaum Schutz vor Feuchtigkeit. Ist der Faltenbalg mit einem Ausgleichsbehälter verbunden, der bspw. seinerseits flexibel sein kann, um eine Volumenänderung zu gestatten, kann zwar ein wirksamer Schutz vor Schmutz und Feuchtigkeit gewährleistet werden, da der Faltenbalg unter Ausgleichsbehälter gewissermaßen einen abgeschlossenes System bilden, allerdings steigt der konstruktive Aufwand, da zusätzlicher Bauraum sowie Befestigungsmittel für den Ausgleichsbehälter sowie ggf. eine Verbindungsleitung zum Faltenbalg notwendig sind.
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Die
DE 100 41 927 A1 offenbart eine Luftfederanordnung, die eine schlauchförmigen Schutzmanschette umfasst, die nach Art eines Faltenbalgs ausgestaltet ist. Ein erster Anschlussbereich der Schutzmanschette kann mit einer Außenführung eines Luftfederbalgs verbunden sein, während ein zweiter Anschlussbereich mit einem Endbereich eines Luftfederkolbens verbunden sein kann. Um zu ermöglichen, dass bei einem Austausch die Schutzmanschette über ein seitlich von einem Schwingungsdämpfer abragendes Rucksackmodul geschoben werden kann, ist vorgesehen, dass die Innenabmessungen der beiden Anschlussbereiche hierfür hinreichend groß sind. Der Querschnitt der Schutzmanschette kann sich zwischen dem ersten und zweiten Anschlussbereich verjüngen und sich unter Umständen auch von kreisförmig zu ellipsoid verändern. Um den zweiten Anschlussbereich mit dem Luftfederkolben zu verbinden, ist ein zwischengeschaltetes Adapterelement vorgesehen. Dieses weist ein Labyrinthsystem zum Luftaustausch zwischen dem Innenraum der Schutzmanschette und außen liegenden Bereichen auf.
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Die
DE 692 02 752 T2 offenbart einen weglimitierenden Anschlag mit integriertem Schutzbalg. Hierbei ist der Anschlag um eine Kolbenstange eines Stoßdämpfers herum angeordnet und umfasst eine Reihe von dickwandigen, bikonischen Abschnitten, denen jeweils dünnwandige Abschnitte, die als Scharniere dienen, zwischengeordnet sind. Mittig ist innenseitig des Anschlags eine Führungshülse angeordnet, die gleitend auf der Kolbenstange aufsitzt. Endseitig des Anschlags ist ein flanschartiger Kranz ausgebildet, der bei einer Kompression des Stoßdämpfers mit dem Zylinder des Dämpfers zusammenwirkt. An diesen Kranz ist wiederum ein Schutzbalg angeformt, dessen unteres Ende mit geringem Spiel gleitend auf dem Zylinder aufsitzt. Der als Faltenbalg ausgestaltete Schutzbalg weist einen größeren Durchmesser auf als der Anschlag.
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Die
FR 2 563 885 A2 zeigt eine Anordnung mit einem Zylinder und einer Kolbenstange, wobei ein Faltenbalg einerseits mit dem Zylinder und andererseits mit der Kolbenstange verbunden ist, wobei er letztere umgibt. Gemäß den Zeichnungen verjüngt sich der Durchmesser des Faltenbalgs geringfügig von seiner Mitte zu den Enden hin. In einem Anschlussbereich zum Zylinder ist eine Gasaustauschöffnung vorgesehen, über die eine Verbindung zu einer Ausgleichskammer gegeben ist, die durch eine flexible, gefaltete Membran verschlossen ist. Bei einer Kompression des Faltenbalgs kann ein Teil des in ihm eingeschlossenen Gases in die Ausgleichskammer strömen und bei einer Expansion wieder zurückströmen.
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Die
EP 2 276 641 B1 zeigt ein Federbein für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen mit einem Teleskop-Stoßdämpfer, einer diesen umgebenden Tragfeder sowie einer in Reihe geschalteten Speicherfeder. Die Federn stützen sich jeweils an einem Verstellfederteller ab, der über einen elektromotorisch betätigten Stelltrieb axial verschiebbar ist. Die Tragfeder sowie die Speicherfeder sind jeweils von einem Faltenbalg umschlossen, der an dem Verstellfederteller befestigt ist. Die Speicherfeder weist einen größeren Durchmesser als die Tragfeder auf, wobei die gleiche Relation auch für die Durchmesser der ihnen zugeordneten Faltenbälge gilt. Der von den Faltenbälgen umschlossene Raum ist mit Zufuhröffnungen und Abführöffnungen für Kühlluft versehen, um insbesondere eine Kühlung des Antriebs zu realisieren.
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Die
EP 1 905 660 A1 zeigt einen Faltenbalg, der im Anschlussbereich zwischen einem Schweller eines Fahrzeugs und einem Gurtschloss eines Sicherheitsgurtes angeordnet ist. Im oberen Bereich ist eine napfförmige Erweiterung zur Aufnahme des Gurtschlosses vorgesehen, während im unteren Bereich ein Flansch zur Verbindung mit dem Schweller angeordnet ist. Der dazwischen liegende Bereich weist eine Reihe von Falten auf, deren Abmessungen sich kontinuierlich von oben nach unten erweitern. Bei Einsatz eines Gurtstraffers, der den Verschluss in Richtung auf den Schweller hinzieht, ist vorgesehen, dass sich der Faltenbalg wenigstens teilweise nach innen stülpen kann.
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Die
EP 1 681 185 A2 zeigt einen Federträger mit zwei zueinander axial beweglichen Baugruppen, mit einem ersten und einem zweiten Federteller, zwischen denen mindestens eine Feder angeordnet ist. Dabei ist die axiale Position eines Federtellers zum anderen einstellbar. Hierbei ist ein erstes Schutzrohr vorgesehen, das einerseits mit der Kolbenstange eines Stoßdämpfers und andererseits mit dem verstellbaren Federteller verbunden ist, sowie ein zweites Schutzrohr, dass sich von dem Federteller in Richtung des Stoßdämpfers erstreckt. Gemäß einer Ausgestaltung ist das zweite Schutzrohr als Faltenbalg ausgestaltet, der sich vom Federteller zum Stoßdämpfer hin verjüngt.
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Die
DE 30 37 179 A1 zeigt einen Schwingungsdämpfer für Fahrzeuge mit einem Zylinder sowie einem Kolben mit Kolbenstange. Den Zylinder im Abstand umgebend ist ein Behälter vorgesehen, der einen Ausgleichsraum bildet, der über Durchlassöffnungen mit dem Arbeitsraum des Zylinders in Verbindung steht und mit diesem Flüssigkeit austauschen kann. Des Weiteren umgibt ein Faltenbalg die Kolbenstange, wobei er einerseits mit der Kolbenstange und andererseits mit dem Behälter verbunden ist. Hierbei besteht zwischen dem Innenraum des ansonsten gasdicht verschlossenen Faltenbalgs und dem Ausgleichsraum eine ständige Verbindung zum Gasaustausch. Gemäß einer Ausgestaltung nimmt der Durchmesser des Faltenbalgs zum Zylinder hinzu.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Schutz des Innenraums eines Faltenbalgs vor Verschmutzung, Feuchtigkeit etc. bei gleichzeitiger Vermeidung von zu starken Druckunterschieden im Innenraum sowie bei Minimierung des konstruktiven Aufwands noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, konstruktiv möglichst einfach einen Innenraum eines Faltenbalgs effektiv vor Umwelteinflüssen zu schützen und gleichzeitig Druckveränderungen im Innenraum zu begrenzen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Faltenbalg mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird eine Baugruppe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zur Verfügung gestellt. Als Kraftfahrzeuge kommen hierbei insbesondere Pkw oder Lkw infrage. Die Baugruppe weist einen Faltenbalg auf, mit einem gasdichten Mantel, der eine Mehrzahl entlang einer axialen Richtung aufeinanderfolgender Falten aufweist. Die axiale Richtung kann als Erstreckungsrichtung des Faltenbalgs angesehen werden und ist in vielen Fällen (aber nicht zwangsläufig) die Richtung, entlang der der Faltenbalg die größte Ausdehnung aufweist. Der Mantel weist eine gewisse Flexibilität auf und kann bspw. wenigstens zum Teil aus einem Elastomer oder Gummi bestehen. Es sind aber grundsätzlich auch andere Materialien möglich. Ebenso können mehrere Materialien eingesetzt werden, bspw. in Form einer Komposit-Struktur. Der Mantel ist in bekannter Weise tangential umlaufend ausgebildet. Weiterhin weist der Faltenbalg zwei sich an den Mantel anschließende, einander axial gegenüberliegende Stirnseiten auf. An den Stirnseiten können Anschlussstrukturen (bspw. Flansche oder Ähnliches) ausgebildet sein, die eine Befestigung des Faltenbalgs an einem anderen Element unterstützen. Derartige Anschlussstrukturen sind selbstverständlich bevorzugt einstückig mit dem Mantel ausgebildet. Ggf. kann aber auch der Mantel selber Anschlussstrukturen aufweisen. Normalerweise weist der Faltenbalg an jeder Stirnseite eine Öffnung auf, durch die im zusammengebauten Zustand bspw. ein den Faltenbalg durchgreifendes oder in diesen eingreifendes Bauteil geführt sein kann. Der Faltenbalg ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Bevorzugt erstrecken sich die Falten insgesamt in axialer Richtung über wenigstens 50 %, ggf. auch wenigstens 70 % der Länge des Faltenbalgs.
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Es versteht sich, dass die Faltenstruktur des Mantels eine axiale Expansion (Längenzunahme) sowie Kontraktion (Längenabnahme) ermöglicht. D. h., im Betriebszustand kann sich die axiale Länge des Faltenbalgs vergrößern oder verkleinern. Wie bei Faltenbälgen bekannt, finden hierbei normalerweise Expansion und Kontraktion wechselweise statt. Im Betriebszustand kann der Faltenbalg bspw. im Bereich der Stirnseiten an benachbarten Bauteilen befestigt sein, so dass die jeweilige Stirnseite einer Bewegung des benachbarten Bauteils folgt. Die genannten Bauteile können zur Baugruppe gehören oder auch nicht.
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Erfindungsgemäß sind die Stirnseiten gasdicht verschlossen. Da, wie oben geschildert, der Faltenbalg selber normalerweise Öffnungen an jeder Stirnseite aufweist, sind in diesen Fällen zur Baugruppe gehörende Elemente vorgesehen, durch die ein gasdichter Verschluss gegeben ist. Da der Mantel ebenfalls gasdicht ist, ist somit ein Innenraum des Faltenbalgs sowie ein darin befindliches Gas (z. B. Luft) vollständig abgeschlossen. Somit ist das Innere des Faltenbalgs vor Feuchtigkeit und Partikeln aus der Umgebung geschützt. Es bildet gewissermaßen ein abgeschlossenes System. Somit sind innerhalb des Faltenbalgs angeordnete Komponenten ebenfalls vor Verschmutzung und anderen Umwelteinflüssen geschützt. Dies bedeutet gleichzeitig, dass der Faltenbalg bei einer Längenänderung kein Gas an die Umgebung oder an einen Ausgleichsbehälter abgeben bzw. von dort aufnehmen kann, um einen Druckausgleich herzustellen.
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Um zu vermeiden, dass eine Längenänderung mit einer übermäßigen Druckänderung einhergeht, die die Bewegung des Faltenbalgs behindern oder diesen sogar beschädigen könnte, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich entlang der axialen Richtung eine äußere Querschnittsfläche der Falten ändert. Hierbei bezeichnet "äußere Querschnittsfläche" die Querschnittsfläche quer zur axialen Richtung in dem Bereich, in dem die jeweilige Falte ihre größte radiale Ausdehnung (quer zur axialen Richtung) hat. Insofern, als die Falten insgesamt eine wellenartige oder zickzackartige Struktur haben, wird hier jeweils der am weitesten außen liegende Teil der Falte betrachtet. Genauer gesagt handelt es sich bei der äußeren Querschnittsfläche um die Fläche, die von der äußeren Umrandung der Falte eingeschlossen ist (also einschließlich des Innenraums des Faltenbalgs). So ist beispielsweise bei einem kreisförmigen Querschnitt die gesamte Kreisfläche gemeint. Im Folgenden wird teilweise der Zusatz "äußere" der Kürze halber weggelassen. Jedenfalls weist der Mantel entlang der axialen Richtung Falten auf, deren Querschnittsflächen sich unterscheiden. Anders ausgedrückt, es gibt Falten mit größerer Querschnittsfläche und Falten mit kleinerer Querschnittsfläche.
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Durch die unterschiedlichen äußeren Querschnittsflächen ist bedingt, dass eine lokale Längenänderung des Mantels mit unterschiedlichen Volumenänderungen einhergeht, je nachdem im Bereich welcher Falte die lokale Längenänderung erfolgt. Bei einer Falte, die eine größere Querschnittsfläche aufweist, bedeutet eine lokale Längenänderung eine größere Volumenänderung als bei einer Falte, die eine kleinere Querschnittsfläche aufweist. Dies bedeutet wiederum, dass bei einer bestimmten axialen Ausdehnung des Faltenbalgs unterschiedliche Volumina angenommen werden können. So können z. B. Falten mit größerer Querschnittsfläche komprimiert (das heißt in axialer Richtung zusammengedrückt) sein, während gleichzeitig Falten mit kleinerer Querschnittsfläche expandiert sind. Hierdurch ergibt sich bei gleicher Länge ein kleineres Volumen als wenn die Falten mit größerer Querschnittsfläche expandiert und die mit kleinerer Querschnittsfläche komprimiert sind. Entsprechend können bei hohem Druck, der sich z. B. bei kleiner axialer Ausdehnung des Faltenbalgs ergibt, die Falten mit größerer Querschnittsfläche expandieren, wodurch das Volumen zunimmt und ein Überdruck begrenzt wird. Umgekehrt können bei niedrigem Druck, der sich z. B. bei großer axialer Ausdehnung des Faltenbalgs ergibt, die Falten mit kleinerer Querschnittsfläche expandieren (wobei die Falten mit größerer Querschnittsfläche komprimiert werden), wodurch das Volumen abnimmt und ein Unterdruck begrenzt wird. Man kann dies in einfacher Weise so beschreiben, dass das System dem äußeren Zwang (Druckänderung) folgt, in dem es mit einer Volumenänderung reagiert. Durch die erfindungsgemäße Veränderung der Querschnittsfläche ist es also möglich, Druckänderungen innerhalb des Faltenbalgs zu mildern bzw. zu begrenzen, obgleich kein Gasaustausch mit einem Ausgleichsbehälter oder der Umgebung möglich ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht somit einen vollständigen Schutz des Innenraums des Faltenbalgs, ohne dass eine Verbindung mit einem Ausgleichsbehälter nötig wäre.
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Erfindungsgemäß weist der Mantel wenigstens einen weiten Bereich sowie wenigstens einen engen Bereich auf, welche jeweils eine Mehrzahl von Falten umfassen, wobei die äußere Querschnittsfläche der Falten im weiten Bereich größer ist als im engen Bereich. Es gibt hier also wenigstens zwei zusammenhängende Bereiche jeweils mehrerer Falten, wobei die Querschnittsflächen sämtlicher Falten im weiten Bereich größer sind als die Querschnittsflächen sämtlicher Falten im engen Bereich. Dies schließt ausdrücklich die Möglichkeit ein, dass innerhalb der genannten Bereiche unterschiedliche Querschnittsflächen vorhanden sind. Es ist auch denkbar, dass mehr als ein enger Bereich und/oder mehr als ein weiter Bereich vorhanden sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung ändert sich die äußere Querschnittsfläche der Falten vom engen Bereich zum weiten Bereich sprunghaft. D. h., im Übergang vom engen Bereich zum weiten Bereich erfolgt von einer Falte zur nächsten eine deutliche Vergrößerung der Querschnittsfläche, so dass sich hier in Seitenansicht des Faltenbalgs eine stufenartige Struktur ergibt.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung ändert sich die äußere Querschnittsfläche der Falten vom engen Bereich zum weiten Bereich schrittweise. Es erfolgt hierbei also eine Änderung in mehreren Zwischenschritten, wobei die einzelnen Schritte gleich oder unterschiedlich groß sein können. In Seitenansicht des Faltenbalgs ergibt sich hier also keine Stufe, sondern z. B. eine Art Schräge. Die Zuordnung der in dem Übergangsbereich angeordneten Falten zum engen Bereich oder zum weiten Bereich ist hierbei im Allgemeinen nicht eindeutig.
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Grundsätzlich ist es möglich, dass innerhalb eines engen Bereichs oder eines weiten Bereichs wiederum unterschiedliche Querschnittsflächen vorkommen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist allerdings die äußere Querschnittsfläche der Falten innerhalb des engen Bereichs und/oder innerhalb des weiten Bereichs konstant. Anders ausgedrückt, haben sämtliche Falten innerhalb des jeweiligen Bereichs die gleiche Querschnittsfläche. Diese Ausgestaltung ist zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorteile absolut ausreichend. Ggf. kann hierdurch auch eine annähernd gleichartige Belastung sämtlicher Falten innerhalb des jeweiligen Bereichs erreicht werden, was sich positiv auf die Lebensdauer des Faltenbalgs auswirken kann. Es versteht sich jedoch, dass wenn die Querschnittsflächen innerhalb eines solchen Bereichs geringfügig variieren, bspw. um maximal 5 %, dies keinen wesentlichen Einfluss auf Funktion und Lebensdauer des Faltenbalgs hat.
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Unter Umständen können sämtliche Falten symmetrisch bezüglich einer gemeinsamen Symmetrieachse, die in axialer Richtung verläuft, angeordnet sein. Allerdings sind auch Abweichungen hiervon denkbar. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist der weite Bereich gegenüber dem engen Bereich quer zur axialen Richtung versetzt angeordnet. Man könnte auch sagen, dass der weite Bereich gegenüber dem engen Bereich exzentrisch angeordnet ist bzw. umgekehrt, je nach Sichtweise. So können bspw. die Falten im engen Bereich symmetrisch bezüglich einer ersten Symmetrieachse sein, während die Falten im weiten Bereich symmetrisch bezüglich einer hierzu versetzten zweiten Symmetrieachse sind. Hierdurch ist es bspw. möglich, dass der weite Bereich in eingebautem Zustand zu einer Seite hin verlagert ist, in der genügend Bauraum vorhanden ist, und sich seine radialer Ausdehnung auf einer gegenüberliegenden Seite, auf der der Bauraum begrenzt ist, nicht oder nur wenig von der des engen Bereichs unterscheidet. Ist der Faltenbalg bspw. Teil einer Feder-Dämpfer-Einheit, bei der er den Stoßdämpfer umgibt, so sind Bauformen bekannt, bei denen die Feder nicht parallel bzw. nicht konzentrisch zum Stoßdämpfer angeordnet ist. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn der weite Bereich zu einer Seite hin verlagert ist, um eine Kollision mit der den Faltenbalg umgebenden Feder zu vermeiden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind Öffnungen und/oder Anschlussstrukturen, die an den Stirnseiten ausgebildet sind, symmetrisch zur gleichen Symmetrieachse wie der enge Abschnitt.
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Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei einer versetzten Anordnung des weiten Bereichs ist es bevorzugt, dass zwischen dem engen Bereich und dem weiten Bereich ein erster versteifter Bereich ausgebildet ist. Dieser Bereich ist versteift im Vergleich zu den angrenzenden weiten und engen Bereich, was bspw. dadurch erreicht werden kann, dass dort eine größere Materialstärke vorgesehen ist. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich die Querschnittsfläche von weitem zum engen Bereich sprunghaft ändert, da andernfalls die im Übergangsbereich auftretenden Kräfte zu einer schwer abschätzbaren Verformung des Faltenbalgs führen könnten. Dies gilt insbesondere dann, wenn zusätzlich der weite Bereich seitlich versetzt angeordnet ist, so das mit einer asymmetrischen Krafteinwirkung zu rechnen ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann an einem dem engen Bereich abgewandten Ende des weiten Bereichs ein zweiter versteifter Bereich ausgebildet sein. Der Begriff "zweiter versteifter Bereich" ist nicht dahingehend auszulegen, dass dieser nur sinnvoll im Zusammenspiel mit dem o.g. ersten versteiften Bereich eingesetzt werden kann. Der zweite versteifter Bereich kann bspw. dann sinnvoll sein, wenn der weite Bereich an eine Stirnseite angrenzt, wo sich eine Anschlussstruktur (z. B. ein Kragen, Flansch oder Ähnliches) mit deutlich geringerer Querschnittsfläche anschließt. Insbesondere dann, wenn hier ein plötzlicher Übergang von einer größeren Querschnittsfläche zu einer kleineren Querschnittsfläche erfolgt, kann es sinnvoll sein, eine entsprechende Versteifung vorzusehen. Dies gilt wiederum insbesondere dann, wenn der weite Bereich seitlich versetzt zu der Anschlussstruktur und/oder dem engen Bereich angeordnet ist.
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Alternativ oder auch ergänzend zu den o.g. versteiften Bereichen kann der Mantel auf einer ersten Mantelseite eine größere Materialstärke aufweisen als auf einer gegenüberliegenden zweiten Mantelseite. Die erste und zweite Mantelseite liegen einander radial gegenüber bzw. sind tangential um 180° zueinander versetzt. Hierbei können der weite Bereich oder der enge Bereich, insbesondere beide Bereiche, auf einer Seite eine größere Materialstärke aufweisen. Durch diese Maßnahme wird die erste Mantelseite selbstverständlich gegenüber der zweiten Mantelseite versteift, was bei einer asymmetrischen Kraftverteilung ebenfalls einer unerwünschten asymmetrischen Verformung des Faltenbalgs entgegenwirkt. Insbesondere kann die erste Mantelseite diejenige Seite sein, zu der hin der weite Bereich gegenüber dem engen Bereich versetzt ist.
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Der Querschnitt des Mantels bzw. der einzelnen Falten kann im Rahmen der Erfindung grundsätzlich beliebig geformt sein, bspw. ellipsoid oder polygonartig. Hierbei können ausdrücklich auch unterschiedliche Falten unterschiedlich geformte Querschnitte aufweisen. Vorteilhaft weist der Mantel wenigstens abschnittsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Dies bedeutet natürlich, dass in dem entsprechenden Abschnitt die Falten eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der wenigstens eine enge Abschnitt und/oder der wenigstens eine weite Abschnitt (bzw. die Falten innerhalb der genannten Abschnitte) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, dass sämtliche engen und weiten Abschnitte einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Dies gilt auch für diejenigen Ausgestaltungen, in denen der weite Abschnitt seitlich versetzt zum engen Abschnitt angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Baugruppe kann in verschiedenen Bereichen, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, eingesetzt werden. Dies betrifft grundsätzlich alle Bereiche, in denen auch herkömmlicherweise Faltenbälge eingesetzt werden. Bevorzugt handelt es sich um eine Stoßdämpfer-Baugruppe, wobei der Faltenbalg eine Kolbenstange eines Stoßdämpfers umgibt und wenigstens mittelbar eine Stirnseite mit einem Zylinder des Stoßdämpfers und die andere Stirnseite mit einem zylinderfernen Ende der Kolbenstange verbunden sind. Die genannten Verbindungen können unmittelbar oder durch zwischengeschaltete Elemente gegeben sein. An dem zylinderförmigen Ende kann, ggf. einstückig mit der Kolbenstange, ein Verschlusselement ausgebildet sein, das bspw. im Zusammenspiel mit einer Schelle eine stirnseitigen Öffnung des Faltenbalgs gasdicht verschließt. Ein entsprechendes Verschlusselement kann am Zylinder ausgebildet sein. In bekannter Weise kann die Stoßdämpfer-Baugruppe Teil einer Feder-Dämpfer-Einheit sein, wobei eine Schraubenfeder den Stoßdämpfer mit dem Faltenbalg umgibt.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1A eine perspektivische Darstellung eines Faltenbalgs einer erfindungsgemäßen Baugruppe;
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1B eine weitere perspektivische Darstellung des Faltenbalgs aus 1A;
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2 eine perspektivische Darstellung einer Feder-Dämpfer-Einheit mit dem Faltenbalg aus 1A und 1B;
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3A eine stark schematisierte Schnittdarstellung eines Teils der Feder-Dämpfer-Einheit aus 2 in einer ersten Stellung; sowie
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3B eine stark schematisierte Schnittdarstellung des Teils der Feder-Dämpfer-Einheit aus 2 in einer zweiten Stellung.
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4 eine stark schematisierte Schnittdarstellung eines Faltenbalgs gemäß einer alternativen Ausgestaltung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1A und 1B zeigen einen Faltenbalg 1, der in einer erfindungsgemäßen Baugruppe 9, 10 verwendet werden kann. Der Faltenbalg 1, der bspw. aus Gummi oder einem Elastomer bestehen kann, erstreckt sich entlang einer axialen Richtung A und weist einen diesbezüglich tangential umlaufenden Mantel 2 auf, der eine Mehrzahl von Falten 2.5, 2.6 aufweist. Die Falten 2.5, 2.6 sind aus vergleichsweise dünnwandigem Material gebildet und haben daher eine hinreichende Flexibilität, um eine axiale Längenänderung des Faltenbalgs 1 zu ermöglichen. Die Gesamtstruktur des Faltenbalgs 1 ist grob zylinderförmig. An den Mantel 2 schließt sich an einer ersten Stirnseite 3 einen erster Anschlusskragen 5 an, der eine erste Öffnung 7 umgibt. Entsprechend ist an einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 4 ein zweiter Anschlusskragen 6 angeordnet, der eine zweite Öffnung 8 umgibt. Durch die Öffnungen 7, 8 ist ein Zugang zum Inneren des Faltenbalgs 1 möglich.
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Angrenzend an die zweite Stirnseite 4 ist im Mantel 2 ein enger Bereich 2.2 ausgebildet, der durch einen ersten versteiften Bereich 2.3 von einem weiten Bereich 2.1 abgesetzt ist. Der weite Bereich 2.1 weist hierbei eine Reihe von ersten Falten 2.5 auf, die jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der enge Bereich 2.2 weist ebenfalls kreisförmige, zweite Falten 2.6 auf, die allerdings einen kleineren Radius und somit eine kleinere äußere Querschnittsfläche aufweisen als die ersten Falten 2.5. Sämtliche ersten Falten 2.5 weisen hierbei jeweils den gleichen Radius auf. Entsprechendes gilt für sämtliche zweiten Falten 2.6. Außerdem ist der gesamte weite Bereich 2.1 quer zur axialen Richtung A gegenüber dem engen Bereich 2.2 versetzt angeordnet. Man könnte auch von einer exzentrischen Anordnung sprechen. Demgegenüber sind der enge Bereich 2.2, die Anschlusskragen 5, 6 sowie die Öffnungen 7, 8 bezüglich einer gemeinsamen Symmetrieachse ausgerichtet. Der erste versteifte Bereich 2.3 sowie ein an die erste Stirnseite 3 angrenzender zweiter versteifter Bereich 2.4 schließen den weiten Bereich 2.1 beidseitig ab und unterstützen ihn. Die versteiften Bereiche 2.3, 2.4 sind als Verdickungen des Mantels 2 ausgebildet und sind im Gegensatz zu den Falten 2.5, 2.6 im Wesentlichen unflexibel. Die Funktion der versteiften Bereiche 2.3, 2.4 besteht darin, ungewollte Verformungen des Faltenbalgs 1 zu vermeiden und insbesondere aufgrund der exzentrischen Anordnung des weiten Bereichs 2.1 auftretende nicht-symmetrische Kräfte besser aufzunehmen.
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Der in den 1A und 1B gezeigte Faltenbalg 1 kann in eine Feder-Dämpfer-Einheit 10 eines Kraftfahrzeugs eingebaut werden. Eine solche Feder-Dämpfer-Einheit ist in 2 dargestellt. Erkennbar ist ein Zylinder 14 eines Stoßdämpfers, der zusammen mit dem Faltenbalg 1 zu einer Stoßdämpfer-Baugruppe 9 gehört. Der Faltenbalg 1 ist hierbei mit der zweiten Stirnseite 4 am Zylinder 14 befestigt, während er mit der ersten Stirnseite 3 an einem (in 1 nicht dargestellten) Federteller 12 befestigt ist.
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Wie in 2 erkennbar, ist ein unterer Federteller 13 am Zylinder 14 befestigt. Eine Schraubenfeder 11 stützt sich einerseits auf dem unteren Federteller 13 und andererseits auf einem oberen Federteller 12 ab, der mit der Kolbenstange 15 verbunden ist. Die Verlaufsrichtung der Schraubenfeder 11 stimmt hierbei nicht mit der Achse des Zylinders 14 überein; außerdem ist die Schraubenfeder 11 nichtzylindrisch aufgebaut. Hieraus ergibt sich, dass um den Faltenbalg 1 herum richtungsabhängig unterschiedlich viel Bauraum vorhanden ist. Bei einer zentrierten Anordnung des weiten Bereichs 2.1 bestünde die Gefahr, dass der Faltenbalg 1 mit der Schraubenfeder 11 kollidiert. Durch die exzentrische Anordnung, wobei der Faltenbalg 1 selbstverständlich in geeigneter Orientierung eingebaut ist, lässt sich dieser trotz des relativ großen Durchmessers des weiten Bereichs 2.1 problemlos innerhalb der Feder-Dämpfer-Einheit 10 integrieren.
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Die 3A und 3B illustrieren stark schematisiert die Funktionsweise des Faltenbalgs 1 innerhalb der Stoßdämpfer-Baugruppe 9. Der erste Anschlusskragen 5 ist gasdicht mit einem am oberen Federteller 12 ausgebildeten Verschlusselement 12.1 verbunden, das seinerseits starr mit einem zylinderfernen Ende 15.1 der Kolbenstange 15 verbunden ist. Das Verschlusselement 16 bewirkt somit einen gasdichten Verschluss der ersten Stirnseite 3. Der zweite Anschlusskragen 6 ist wiederum gasdicht mit dem Zylinder 14 verbunden, wodurch auch die zweite Stirnseite 4 gasdicht verschlossen ist. Die Anschlusskragen 5, 6 können mit hier nicht dargestellten Schellen gesichert sein. Selbstverständlich können hier auch andere bekannte Mittel eingesetzt werden, um die Anschlusskragen 5, 6 gasdicht zu befestigen. Da auch der Mantel 2 insgesamt gasdicht ist, ist ein Gasaustausch zwischen dem Inneren des Faltenbalgs 1 und seiner Umgebung unmöglich. D. h., die Gasmenge im Inneren des Faltenbalgs 1 ist immer konstant. Durch das Ein- und Ausfedern der Feder-Dämpfer-Einheit 10 erfolgt eine erzwungene Längenänderung des Faltenbalgs 1, die im Allgemeinen zu einer erzwungenen Kompression bzw. Expansion des eingeschlossenen Gases führt. 3A zeigt hierbei einen Zustand, in dem der Faltenbalg 1 in axialer Richtung A relativ stark komprimiert ist. Die hiermit verbundene Druckerhöhung führt dazu, dass die ersten Falten 2.5 im Vergleich zu den zweiten Falten 2.6 axial expandiert sind. Da die gesamte axiale Länge vorgegeben ist, steht dem eingeschlossenen Gas auf diese Weise ein größeres Volumen zur Verfügung. Man kann dies auch dadurch erklären, dass der erhöhte Innendruck, der auf die verschiedenen Flächenabschnitte im Inneren des Faltenbalgs 1 wirkt, insgesamt zu einer Kraft führt, die denen weiten Abschnitt 2.1 gegenüber dem engen Abschnitt 2.2 expandieren lässt. Die hierbei entstehenden Kräfte sind aufgrund der asymmetrischen Ausbildung des weiten Bereichs 2.1 asymmetrisch verteilt, was u.a. durch die versteiften Bereiche 2.3, 2.4 aufgefangen wird.
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3B zeigt einen Zustand, in dem der Faltenbalg in axialer Richtung A relativ stark expandiert ist. Da das eingeschlossene Gasvolumen bei gleichbleibender Gasmenge zunimmt, entsteht ein Unterdruck. Dies führt wiederum dazu, dass der weite Bereich 2.1 gegenüber dem engen Bereich 2.2 kontrahiert bzw. der enge Bereich 2.2 gegenüber dem weiten Bereich 2.1 expandiert. Hierdurch steht dem Gas einen kleineres Volumen zur Verfügung, wodurch der Unterdruck begrenzt bzw. reduziert wird. Auch hierbei ist die beschriebene Kontraktion bzw. Expansion wiederum das Ergebnis der aus dem Unterdruck resultierenden Einzelkräfte auf die Flächenelemente des Faltenbalgs 1. Es versteht sich, dass auch hierbei die Kräfte wiederum asymmetrisch verteilt sind, was wiederum durch die versteiften Bereiche 2.3, 2.4 aufgefangen werden kann.
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Durch den gasdichten Abschluss des Inneren des Faltenbalgs 1 ist jegliche Kontaminierung des Zylinders 14 oder der Kolbenstange 15 durch Feuchtigkeit oder Schmutzpartikel ausgeschlossen. Gleichzeitig wird durch die beschriebene Ausgestaltung des Faltenbalgs 1, die es ihm erlaubt, bei Unter- bzw. Überdruck selbstständig sein Volumen anzupassen, die Druckbelastung begrenzt. Dies verbessert die Funktionalität der Stoßdämpfer-Baugruppe, da starke Über- bzw. Unterdrücke zu unerwünschten Rückstellkräften führen könnten. Außerdem wird die durch die Begrenzung der Druckbelastung die Lebensdauer des Faltenbalgs 1 erhöht.
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4 zeigt eine stark schematisierte Schnittdarstellung eines Faltenbalgs 101 gemäß einer alternativen Ausgestaltung. Dieser könnte alternativ zu dem in den 1–3B dargestellten Faltenbalg 1 eingesetzt werden und ist mit diesem weitgehend identisch. Insofern werden auch nicht nochmals sämtliche Details beschrieben. Auch dieser Faltenbalg 101 weist einen Mantel 102 mit einem weiten Bereich 102.1 sowie einem engen Bereich 102.2 auf. Auch hier ist der weite Bereich 102.1 seitlich gegenüber dem engen Bereich 102.2 versetzt und aus den oben geschilderten Gründen durch versteifte Bereiche 102.3, 102.4 eingefasst. Da unter Umständen diese Maßnahme nicht ausreicht, um eine unerwünschte asymmetrische Verformung des Faltenbalgs 101 zu verhindern, weisen sowohl der weite Bereich 102.1 als auch der enge Bereich 102.2 auf einer ersten Mantelseite 102.7 eine größere Materialstärke auf als auf einer gegenüberliegenden bzw. tangential um 180° versetzten zweiten Mantelseite 102.8. Hierbei ist die erste Mantelseite 102.7 diejenige Seite, zu der hin der weite Bereich 102.1 gegenüber dem engen Bereich 102.2 versetzt ist. Durch diese Verstärkung ist die erste Mantelseite 102.7 gegenüber der zweiten Mantelseite 102.8 versteift und kann dort auftretenden Kräften besser widerstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 101
- Faltenbalg
- 2, 102
- Mantel
- 2.1, 102.1
- weiter Bereich
- 2.2, 102.2
- enger Bereich
- 2.3, 2.4, 102.3, 102.4
- versteifter Bereich
- 2.5, 2.6
- Falte
- 3
- erste Stirnseite
- 4
- zweite Stirnseite
- 5
- erster Anschlusskragen
- 6
- zweiter Anschlusskragen
- 7
- erste Öffnung
- 8
- zweite Öffnung
- 9
- Stoßdämpfer-Baugruppe
- 10
- Feder-Dämpfer-Einheit
- 11
- Schraubenfeder
- 12, 13
- Federteller
- 12.1
- Verschlusselement
- 14
- Zylinder
- 15
- Kolbenstange
- 15.1
- zylinderfernes Ende
- 102.7
- erste Mantelseite
- 102.8
- zweite Mantelseite
- A
- axiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10041927 A1 [0006]
- DE 69202752 T2 [0007]
- FR 2563885 A2 [0008]
- EP 2276641 B1 [0009]
- EP 1905660 A1 [0010]
- EP 1681185 A2 [0011]
- DE 3037179 A1 [0012]
