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Die Erfindung betrifft einen Druckkörper gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der
DE 10 2016112 307 A1 ist ein Druckbehälter in Form eines Luftfederdeckels für ein Luftfedersystem bekannt. Dieser Druckbehälter umfasst einen hohlen Grundkörper, welcher ein Innenvolumen aufweist. In der Umfangswandung des Grundkörpers ist eine Öffnung vorgesehen, in welche ein Zusatzkörper einsetzbar ist. Um das Volumen des Druckbehälters variieren zu können, ist die Position des Zusatzkörpers im Grundkörper verschiebbar. Je nachdem in welcher Position der Zusatzkörper im Grundkörper befestigt wird, ist ein bestimmtes Volumen vorgegeben. So lassen sich in der Herstellung mit gleichen Bauteil Luftfederdeckel mit unterschiedlichen Volumen realisieren.
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Solch ein Luftfederdeckel wird bekanntermaßen bei einem Luftfederbein, wie es beispielsweise aus der
DE 10 2012 012 902 A1 bekannt ist, verwendet.
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An den Luftfederdeckel eines Luftfederbeins werden zudem verschiedenste Anforderungen gestellt:
- a) Verschluss des druckdichten Innenraums der Luftfeder,
- b) Anbindung des gesamten Luftfederbeins an das Fahrwerk,
- c) Bereitstellung eines Teils des federwirksamen Innenvolumens der Luftfeder, und
- d) eine feste und druckdichte Aufnahme weiterer Anbauteile.
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Um den druckdichten Verschluss der Luftfeder zu ermöglichen, muss der Luftfederdeckel den Klemmgrund für den Rollbalg bereitstellen, an welchem der Rollbalg hinreichend fest und druckdicht angebunden wird. Zudem muss der Luftfederdeckel selbst eine druckdichte und feste Anbindung an die Kraftfahrzeugkarosserie gewährleisten, sowie druckdichte und feste Aufnahmen für weitere Anbauteile wie z.B. Luftanschluss, Zusatzvolumen, Dämpferlager, Restdruckhalteventil zur Verfügung stellen.
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Die auf den Luftfederdeckel eines Luftfederbeins einwirkenden Kräfte entstehen durch die innenseitig druckbeaufschlagende Gaskraft des federwirksamen Deckelraums, welche durch den veränderlichen Druck in statische und dynamische Anteile aufgeteilt werden kann. Des Weiteren wirken am Anbindungspunkt des Stoßdämpfers (Dämpferlager) dynamische, von der Federgeschwindigkeit abhängige, Druck- und Zugkräfte auf den Luftfederdeckel ein. Diese entstehen als die Ausfederung begrenzende Kräfte über den Zuganschlag des Stoßdämpfers im Dämpferlagergehäuse des Luftfederdeckels.
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Zur Bereitstellung des federwirksamen Luftfedervolumens muss sich der Luftfederdeckel dem zur Verfügung stehenden Bauraum der Chassis- oder Achsseite der Luftfeder so gut wie möglich anpassen, um somit mit seiner Außenhülle die geforderte Menge an Volumen bereitzustellen. Für ein maximales Innenvolumen der Luftfeder bei einmal festgelegter Außenform sollte die Innenform des Luftfederdeckels möglichst der Außenform entsprechen. Das bedeutet, dass ein Luftfederdeckel mehr Volumen bereitstellt, je adaptiver er sich einerseits dem vorhandenen Bauraum im Fahrwerk anpasst und je geringe Wandstärken er andererseits besitzt, sodass die Festigkeitsanforderungen noch erfüllt werden.
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Die optimale Erfüllung der Anforderungen a) bis c) an den Luftfederdeckel, erfordern allerdings gegenläufige Maßnahmen. Darum muss bei der Konstruktion der Luftfeder ein Kompromiss zwischen Festigkeit, Volumen und Herstellbarkeit gefunden werden.
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Bezüglich der Herstellbarkeit begrenzen einerseits die gewählten Herstell- und Verbindungsverfahren, wie Blechumformung, (Spritz-)Gießen oder Zerspanung in Verbindung mit z.B. Schrauben, Kleben oder Schweißen, insbesondere die ökonomisch noch vertretbare Adaptivität der Deckelgeometrie. Andererseits begrenzen die gewählten Materialien die möglichen Wandstärken, sodass noch die Festigkeit und Druckdichtigkeit gewährleistet werden kann.
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Die im Inneren des Luftfederdeckels auftretenden Kräfte, versuchen diesen wie einen Luftballon aufzublasen, wohingegen die durchgeleiteten Zug- und Drückkräfte des Stoßdämpfers in direkter Linie zwischen dem Boden des Dämpferlagergehäuses und den Anschraubpunkten des Deckels am Chassis oder an der Achse wirken. Damit stehen sich zwei grundlegend verschiedene Tragmechanismen dieser beiden Belastungsarten gegenüber.
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Die Kräfte des Innendrucks werden durch die Membranwirkung der Hüllstruktur des Luftfederdeckels aufgenommen (im Innern des Luftfederdeckels angeordnete Bauteile ohne anliegende Druckdifferenz sind nicht daran beteiligt), und die durchgeleiteten Zusatzfeder bzw. Dämpferlagerkräfte wirken entlang der kürzesten Verbindungslinien zwischen Zwischenboden des Dämpferlagergehäuses und den chassisseitigen Befestigungspunkten und werden idealerweise durch Zug-/Druck-Stäbe übertragen.
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Es ist bekannt, dass die Membrantragwirkung auf der lokalen Krümmung einer Fläche beruht, sodass geringere Materialbelastungen entstehen, wenn die tragende Membranfläche mit kleineren Krümmungsradien geformt ist. Demgegenüber entstehen bei Zug-/Druck-Stäben geringere Materialbelastungen, wenn die zugrundeliegende Struktur möglichst geradlinig der Wirkungslinie der Kraft folgt. Die dann aus strukturmechanischer Sicht verbleibende minimale Belastung muss durch entsprechenden Materialquerschnitt aufgenommen werden.
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Wenn eine Deckelstruktur von diesen Konstruktionsprinzipien abweicht, indem z.B. die Hüllstruktur keine ebenmäßig mit kleinen Radien gekrümmte Form, sondern eine Form z.B. mit Ecken oder Dellen oder Ähnlichem besitzt, oder einfach rein zylindrisch (Krümmung nur in einer Richtung), flach (keine Krümmung) oder oval (stark veränderliche Krümmung) ist, oder die Zug-/Druck-Stäbe nicht geradlinig vom Zwischenboden des Dämpferlagergehäuses zu den Anschraubpunkten am Chassis (oder an der Achse) zeigen, sondern stattdessen z.B. gebogen sind, dann muss bei der Planung jede Abweichung von diesem Konstruktionsprinzip durch entsprechenden Mehreinsatz von Material kompensiert werden, weil die durch die Abweichung von der minimal möglichen Materialbelastung, die anschließend zusätzlich auftretende Materialbelastung ausgeglichen werden muss.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Druckkörper für ein Druckluftsystem bereitzustellen, welcher bei möglichst geringem Gewicht eine optimale Festigkeit aufweist und ein möglichst großes Druckvolumen umfasst.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Druckkörper für ein Druckluftsystem eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, welcher aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sind, wobei der Druckkörper eine äußere Hüllstruktur und eine innere Versteifungsstruktur umfasst, wobei die Hüllstruktur eine Vielzahl an nebeneinander angeordneten und konvex geformten Segmenten umfasst, welche einen Teil einer Wandung des Druckkörpers bilden.
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Durch die Segmentierung eines Teils einer Wandung des Druckkörpers in eine Vielzahl an konvex geformter Segmente wird ein Druckkörper geschaffen, welcher bei geringer Wandstärke dennoch großen Innendrucken standhalten kann. Unter Segmenten werden dabei jeweilige Teilabschnitte oder Teilbereiche eines Teils der Wandung des Druckkörpers verstanden, welche sich durch ihre spezielle Formgebung auszeichnen. Die spezielle Formgebung ist im Querschnitt eines Segments als konvex zu betrachten. D.h. sie ist nach außen gewölbt oder gerundet. Durch das Aneinanderreihen mehrerer gewölbter Segmente, wird zumindest ein Teil der Wandung des Druckkörpers gebildet.
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Die Erfindung ist darauf ausgerichtet, eine Reduktion der Bauteilbelastung im Rahmen der Verwendung von Kunststoffmaterialien und damit verbundener Herstellprozesse zu ermöglichen. Die Formgebung durch Segmente der Hüllstruktur nutzt die Potentiale der Herstellverfahren wie Spritzgießen und Schweißen besser aus und senkt die Herstellkosten.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die von den Segmenten gebildete Wandung in Umfangrichtung um die Längsachse des Druckkörpers ausgebildet. Sie kann als Umfangswandung aufgefasst werden. Die Hülle des Druckkörpers wird maßgeblich durch die segmentierte Wandung dargestellt.
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Bevorzugst umfasst der Druckkörper eine erste und eine zweite Halbschale, wobei der Druckkörper aus beiden Halbschalen zusammengesetzt ist. Die Wandung zumindest einer Halbschale oder auch der anderen Halbschale wird durch die segmentierte Hüllstruktur gebildet. Dabei können die erste und die zweite Halbschale nach oben bzw. nach unten hin geöffnet sein und mittels anderer geometrischer Formen verschlossen werden. D.h. eine Halbschale ist bspw. mit einer Platte bedeckt. Eine Halbschale kann auch einen Anbindungsbereich für ein weiteres Bauteil darstellen, welches Druckdicht an den Anbindungsbereich angeschlossen wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Versteifungsstruktur zumindest eine Vielzahl an nach innen gerichteten Versteifungsrippen und mindestes ein Versteifungselement. Die angegebene Hüllstruktur und die Versteifungsstruktur senken die spezifische Materialbeanspruchung ab, sodass es zu einer Materialeinsparung und einer Steigerung der Berstfestigkeit des Druckkörpers kommt. Zudem wird das Bauteilgewicht signifikant reduziert.
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Das Versteifungselement ist ein umlaufendes Polygon und besteht aus geraden Elementen oder Streben, welche miteinander verbunden sind.
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Bevorzugt sind die Versteifungsrippen jeweils einerseits mit der Innenseite der Wandung und anderseits mit dem Versteifungselement verbunden. Die Verstärkungsstruktur ist dadurch mit der Hüllstruktur verbunden und aus demselben Kunststoffmaterial hergestellt. An dem Ecken des polygonal geformten Versteifungselements greifen die Versteifungsrippen an.
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Vorzugsweise werden die Versteifungsrippen und das Versteifungselement aus dem Kunststoffmaterial einer Halbschale geformt. Zusätzlich weist die andere Halbschale ebenfalls Versteifungsrippen auf, welche eine Erweiterung der Versteifungsrippen der anderen Halbschale darstellen. Fertigungstechnisch ist es vorteilhaft das Versteifungselement aus nur einer der Halbschalen zu fertigen.
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Besonders bevorzugt sind die Versteifungsrippen jeweils in einem Verbindungsbereich eines Segments mit einem benachbarten Segment angebunden. Die Krümmung eines Segments überschneitet sich im Querschnitt sehen mit der Krümmung eines benachbarten Segments. In diesem Schnittpunkt der Krümmungslinien liegt der Verbindungsbereich eines Segments zu dem benachbarten Segment vor. In dem Verbindungsbereich läuft die Materialspannung der Wandung zusammen und wird in die Versteifungsrippe eingeleitet. Diese stellt einen Zuganker für die Spannungen dar und kann diese in Vorteilhafterweise aufnehmen.
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Vorzugsweise sind die Segmente über den Verbindungsbereich miteinander verbunden oder die Segmente sind direkt aneinander gereiht miteinander verbunden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Radius eines konvex geformten Segments kleiner als der Außenradius der Hüllstruktur. Der Radius der konvex geformten Segmente sollte stets derart bemessen sein, dass dieser kleiner ist als der Außenradius des größtmöglichen Außendurchmessers der Hüllstruktur. Durch diese geometrische Gestaltung kann eine Vielzahl an konvex geformten Segmenten durch die Wandung des Druckkörpers realisiert werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Druckkörper ein Luftfederdeckel eines Luftfederbeins. Solch ein segmentierter Luftfederdeckel reduziert das Gesamtgewicht des Luftfederbeins und vergrößert zugleich das federwirksame Volumen. Denn die Art der Segmentierung ermöglicht geringere Wandstärken, wodurch bei gleichem Außendurchmesser ein größeres Innenvolumen möglich ist.
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Auch aufgrund des vereinfachten Herstellverfahren von Kunststoffspritz- und Schweißverfahren ist solch ein Luftfederdeckel auf eine Massenproduktion zugeschnitten. Damit wird die Standardisierungen in Baureihen unterstützt, indem die Teilkomponenten des Deckels (z.B. Oberschale, Unterschale, Verstärkungseinsatz, Stützring) miteinander kompatibel und modular gegeneinander je nach Applikationsanforderung austauschbar ausgelegt werden können. Die Variabilität der Anpassung des Deckels an verschiedene Bauräume (Ausbuchtungen, Ecken, Ovalitäten, beides in radialer oder axialer Richtung) wird gesteigert bzw. in einer Weise ermöglicht, die bisher unmöglich oder unwirtschaftlich war. Zudem ist die Integration von Luftkammern und Schaltventilen durch die gezeigte Bauart erleichtert.
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Zusätzlich umfasst eine Halbschale einen Klemmgrund, um den Rollbalg des Luftfederbeins anzubinden. Währenddessen ist die andere Halbschale dafür vorgesehen, ein Dämpferlagergehäuse aufzunehmen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Druckkörper ein an einem Luftfederbein angeschlossener Zusatzspeicher. Die gängigen direkt an das Luftfederbein angeschlossenen Zusatzspeicher können ebenfalls gemäß dem segmentierten Druckkörper realisiert werden. Sie eignen sich besonders aufgrund des geringen Gewichts und des vergrößerten Volumens.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Druckkörper ein Druckluftspeicher eines Druckluftsystems. Vorzugsweise ist das Druckluftsystem eine Luftfederungsanlage oder eine Druckluftbremsanlage. In der Regel umfassen diese Anlagen Luftspeicher/Druckspeicher, in welchen komprimierte Luft bevorratet wird. Folglich kann auch der Druckspeicher einer Luftfederungsanlage oder einer Druckluftbremsanlage gemäß dem segmentierten Druckkörper ausgeführt werden, welcher die bereits genannten Vorteile ebenfalls aufweist.
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Verwendung findet der Druckkörper in einer Druckluftanlage für ein Kraftfahrzeug.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Figuren.
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Es zeigen
- 1 einen ersten beispielsgemäßen Druckkörper im Querschnitt,
- 2 einen zweiten beispielsgemäßen Druckkörper im Querschnitt,
- 3 Kraftpfade und Radien der Hüllstruktur,
- 4 einen beispielsgemäßen Druckkörper als Luftfederdeckel in perspektivischer Ansicht, und
- 5 einen beispielsgemäßen Druckkörper als Druckspeicher in perspektivischer Ansicht.
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In der 1 wird ein erster beispielsgemäßer Druckkörper 1 im Querschnitt verdeutlicht. Der Druckkörper setzt sich aus einer ersten Halbschale 2 und einer zweiten Halbschale zusammen. In der 1 wird lediglich die erste Halbschale 2 im Schnitt gezeigt.
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Der aus einem Kunststoffmaterial hergestellte Druckkörper 1 bzw. seine erste Halbschale 2 umfasst eine äußere Hüllstruktur und eine innere Versteifungsstruktur. Die äußere Hüllstruktur wird zumindest durch die Außenwandung der ersten Halbschale 2 gebildet. Aber auch selbstverständlich durch die Außenwandung der nicht dargestellten zweiten Halbschale.
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Um einen Druckkörper mit möglichst geringer Wandstärke und möglichst großumfassenden Innenvolumen bereitzustellen, welcher zugleich großen Innendrücken standhält, wird die Hüllstruktur in eine Vielzahl an konvex geformten Segmenten 4 aufgeteilt. Die konvex geformten Segmente 4 der äußeren Hüllstruktur bzw. der Wandung stellen Krümmungen in der Druckkörperhülle oder auch Membranhülle dar, welche sich an innenseitigen Versteifungsrippen 5 abstützen.
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Die innere Versteifungsstruktur wird zumindest durch die Vielzahl an Versteifungsrippen 5 und durch ein Versteifungselement 6 dargestellt. Die Einführung der Versteifungsrippen 5 ermöglicht eine Hüllstruktur mit Krümmungen, welche die Spannungen im Material und dem Innendruck des Druckkörpers 1 standhält. Die Versteifungsrippen 5 bieten zusätzlich eine radial ausgerichtete Stützwirkung. Damit muss die Hüllenform nicht mehr kreisrund sein, sondern kann zusätzlich gekrümmt werden.
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In Detail ist anstatt eines kreisrunden, elliptischen oder zylindrischen Querschnitts der Druckkörperhülle, nun ein Querschnitt mit einer Vielzahl an konvex geformter Segmente 4 erdacht worden. Jeweils ein Segment 4 umfasst einen Radius, welcher kleiner ist als der Radius der Druckkörperhülle, welcher sich aus dessen Außendurchmesser ergibt. Segmente 4 sind aneinandergereiht und selbstverständlich aus dem Kunststoffmaterial der ersten Halbschale 2 und auch aus der zweiten Halbschale geformt. Im Schnittpunkt eines Segments 4 mit einem benachbarten Segment 4 setzt innenseitig eine Versteifungsrippe 5 an. Versteifungsrippen 5 verlaufen radial ins Innere der ersten Halbschale 2 zu dem Versteifungselement 6 zusammen. Versteifungselement 6 stellt somit den zentralen Ankerpunkt für alle Versteifungsrippen 5 dar, welche von den Schnittpunkten der Segmente 4 nach innen verlaufen. Wie auch Versteifungsrippen 5 ist Versteifungselement 6 aus dem Kunststoffmaterial der ersten Halbschale 2 geformt.
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Damit bei dem beispielsgemäßen Druckkörper 1 der 1 als ein Luftfederdeckel eine Dämpferlageraufnahme 8 aufgenommen werden kann, ist Versteifungselement 6 vorgesehen. Dieser polygonal geformte Versteifungselement 6 sorgt für die fehlende Anbindung der Versteifungsrippen 5, welche üblicherweise an der Wandung einer topförmigen Dämpferlageraufnahme münden. Als Form für die innere Stützstruktur ist eine Gestalt aus mehreren oder einem Kreisbogen für das Versteifungselement 6 unzweckmäßig, da bei der Abstützung der Spannungen in den Versteifungsrippen 5 in dem Versteifungselement 6 nur Zugspannungen auftreten. Daher ist dieser als Polygon ausgestaltet.
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Die 2 veranschaulicht einen zweiten beispielsgemäßen Druckkörper 1 im Querschnitt.
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Dieser umfasst neben Versteifungselement 6 für Dämpferlageraufnahme 8 einen Zusatzring 7, in welcher ein Luftanschuss 9 positioniert werden kann. Nebenbei ist mit 11 der reguläre Querschnitt eines Luftfederdeckels gezeigt, um die Krümmung der konvexen Segmente 4 besser zu veranschaulichen. In der 2 ist jeweils stellvertretend nur ein Segment 4 und nur eine Versteifungsrippe 5 mit einem Bezugszeichen versehen.
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In dieser Abwandlung werden variable Segmentteilungswinkel, Segmentkrümmungen und Versteifungsrippen 5 zusammengefasst, um eine bessere Adaption an die Außenkontur zu ermöglichen und die Aufnahme von Komponenten wie dem Luftanschuss 9 zu ermöglichen. All dies dient zur Materialeinsparung.
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Mit jedem zusätzlichen Segment 4 nimmt die Membranbelastung in den Versteifungsrippen 5 ab, wogegen der Materialeinsatz für die Versteifungsrippen 5 zusammen mit deren Anzahl ansteigt. Damit kann es ab einer bestimmten Anzahl an Segmenten 4 in der Druckkörperhülle möglich sein, dass es nicht mehr zweckmäßig ist, jedes Segmentstück 4 durch eine eigene Versteifungsrippe 5 abzustützen. Hinzu kommt, dass fertigungsbedingt auch bei den Versteifungsrippen 5 oft eine minimale Wandstärke nicht unterschritten werden kann. Dann ist es beispielhaft zweckmäßig, die Abstützung mehrerer Versteifungsrippen 5 in einer Y-förmigen Art und Weise oder Fächerförmig zu einer gemeinsamen Versteifungsrippe 5 zusammenzufassen, bevor diese mit der inneren Stützstruktur (Versteifungselement 6) verbunden werden, wie es in der 2 ersichtlich ist.
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Diese Weiterbildungen können kaskadiert hintereinandergeschaltet und miteinander kombiniert werden. Die Krümmungen der Segmente 4 können beispielhaft unterschiedlich gewählt werden, insbesondere um der Zusammenfassung von Versteifungsrippen 5 einzelner Segmente 4 oder einer nicht kreisrunden Außenkontur der Druckkörperhülle besser zu entsprechen oder andere Funktionselemente (Luftanschluss 9) zu integrieren.
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Beispielsgemäß werden die Versteifungsrippen 5 jeweils geradlinig ausgeführt und in Richtung der Zugspannung der Membranhülle orientiert. Dadurch wird die Beanspruchung der Versteifungsrippen 5 reduziert und zusätzlich Material eingespart.
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Die 3 verdeutlich das beispielsgemäße Konstruktionsprinzip der Hüllstruktur eines Druckkörpers.
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In der Regel ist die Hüllstruktur von Drückkörpern für Druckluftsysteme im Querschnitt zylindrisch geformt. Dieser ist bei 11 ersichtlich. Die kreisrunde Außenstruktur eines Druckkörpers definiert in Abhängigkeit dem zur Verfügung stehenden Bauraum einen maximal möglichen Außendurchmesser der Hüllstruktur.
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Die maßgebliche Geometrie der Druckkörperhülle wird durch den Radius R und die Wandstärke tR bestimmt. Durch die in Serie angeordneten konvexen Segmente 4 mit einem kleineren Krümmungsradius ρ mit ρ < R, und einer kleineren Wandstärke tρ mit tρ < tR wird die beispielsgemäße Hüllstruktur realisiert. Der Vorteil einer solchen Formgebung besteht darin, dass bei kleineren lokalen Krümmungsradien ρ der Hüllenstruktur auch die Spannungen σ abnehmen und man insgesamt mit geringeren Wandstärken tρ < tR auskommt.
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Normalerweise würde die Wandungsstärke bei größeren Durchmesser oder größerem Radius der Druckkörperhülle zunehmen, d.h. dicker werden. Mit steigendem Außendurchmesser muss auch die Wandstärke der Druckkörperhülle proportional mitwachsen, um bei gleicher Innendruckbelastung die Spannungen im Material konstant zu halten, damit die Spannungen im Material die Materialfestigkeit nicht übersteigen.
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Die beispielsgemäße Vorgehensweise mit einer Vielzahl an stark gekrümmten Segmenten 4 mit dünner Wandstärke und Abstützung durch Versteifungsrippen 5, kann beliebig fortgeführt werden, bis durch die Aneinanderreihung immer weiterer Segmente 4, die Hülle derart stark entlastet ist, dass die verbleibende erforderliche Wandstärke der Druckkörperhülle ihre minimal herstellbare Wandstärke (z.B. tρmin=2mm) unterschreitet, weil diese aufgrund Fließeigenschaften des Materials beim Spritzgießen physikalisch begrenzt ist.
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In der 4 ist ein Druckkörper 1 in der Form eines Luftfederdeckels für ein Luftfederbein in der perspektivischen Ansicht von unten gezeigt.
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Druckkörper 1 besteht aus der ersten Halbschale 2 und der zweiten Halbschale 3. An der Unterseite der ersten Halbschale 2 ist ein Klemmgrund 10 für die Anbindung eines oberen Rollbalgendes vorgesehen.
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Die äußere Hüllstruktur des Druckkörpers 1 als Luftfederdeckel ist durch die beispielsgemäßen konvexen Segmente 4 realisiert. Die innenliegende Verstärkungsstruktur wird durch die Versteifungsrippen 5 und dem Versteifungselement 6 dargestellt. In der gezeigten Ausführung ist Versteifungselement 6 aus dem Kunststoffmaterial der ersten Halbschale 2 geformt. Die innenliegende Verstärkungsstruktur ermöglicht eine erweiterte Formgebung und die Halbschalen 2 und 3.
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Als Kunststoffmaterial bei der Halbschalen 2 und 3 kommt vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff zum Einsatz. Die Materialwahl wird durch die individuellen Festigkeitsanforderungen an das jeweilige Deckelteil bestimmt und durch das zur Verbindung bevorzugte Fügeverfahren.
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So können auch verschiedene Thermoplaste für die Halbschalen 2 und 3 verwendet werden, insbesondere Materialien mit ähnlichem Schmelzpunkt aber unterschiedlicher Faserfüllung wie z.B. PA6GF30 und PA6. 6GF50. Diese Materialien sind gut schweißbar und passen sich den individuellen Anforderungen besser an. Alternativ können auch Thermoplaste für die eine Halbschale und Duroplaste die andere Halbschale verwendet werden.
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Um dem membranmechanischen Konstruktionsprinzip zu entsprechen, wird die Außenwandung des Luftfederdeckels vorzugsweise in dünnwandiger Ausführung gefertigt. Sie hat eine von gleichmäßiger Krümmung geprägte äußere Strukturform, um so bei möglichst geringer Materialdicke den Innendruck tragen zu können. Die Außenwandung nimmt die funktionalen Schnittstellen des Luftfederdeckels auf. Diese sind z.B. das Dämpferlagergehäuse, Sprengringsitze oder Gewinde zur Befestigung eines Verschlussdeckels des Dämpferlagergehäuses, die Geometrie der Klemmkontur zur Verbindung mit dem Rollbalg, Formelemente zur Anbindung des Faltenbalges nach Bedarf, Öffnungen zum Anschluss eines pneumatischen Zusatzelementes (Zusatzvolumen, Luftanschluss, Restdruckhalteventil) je nach Bedarf.
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Die Einführung von vertikal verlaufenden Versteifungsrippen 5 führt zu einer Steigerung der Schweißbarkeit des gesamten Luftfederdeckels. Vorzugsweise lassen sich die erste und zweite Halbschale 2 und 3 durch Schweißen, Kleben, Formschluss oder Verschraubung (letzte beiden Optionen in Verbindung mit einer O-Ring-Abdichtung) gasdicht miteinander verbinden.
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Zunächst wird der Luftfederdeckel aus den zwei Halbschalen 2 und 3 in einem zusätzlichen Fügeprozess miteinander verbunden. Als ein hocheffizienter Fügeprozess kommt das thermoplastische Schweißen infrage, weil es neben dem stoffschlüssigen und festen Fügen der Teilschalen gleichzeitig eine sichere und gasdichte Abdichtung der Fügefläche ermöglicht. Wenn eine nicht ausreichende Schweißfläche zur Verfügung steht, dann versagt die Verschweißung der Deckelteile bei zu hohen Innendrücken.
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Die spezifische Festigkeit einer Schweißverbindung ist bei faserverstärkten Kunststoffen stets geringer als die Festigkeit des ungestörten Materialbereiches. Dies ist dem fehlenden Durchgriff der Verstärkungsfasern durch die Schweißnaht geschuldet, so dass prinzipbedingt die Schweißnahtfestigkeit nur der Größenordnung der Festigkeit des polymeren Grundmaterials liegen kann.
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Die Grundbelastung des Innendrucks trachtet nun danach, die ober Halbschale 3 von der unteren Halbschale 2 vertikal auseinander zu reißen. Darum ist für die Performance der Schweißung die Größe verschweißten Fläche entscheidend, weil man nur über die Größe der Fläche die geringere spezifische Schweißnahtfestigkeit ausgleichen kann. Eine Deckelhülle ohne Innenrippen hat als Schweißfläche nur die ringförmige Schnittfläche der Außenkontur der Deckelhülle in der Teilungsebene zwischen oberen und unterem Deckelteil 2 und 3 zur Verfügung.
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Der klassische Weg, hier die Schweißfläche zu vergrößern besteht in der Aufdickung der Wandstärke der Deckelhülle. Dies ist allerdings nachteilig. Durch die dickere Wandstärke geht das Innenvolumen verloren. Die Deckelhülle beansprucht einen höheren Materialeinsatz, wodurch sie schwerer und teurer ist. Dickere Wandstärken verlängern die Zykluszeit im Spritzprozess und verteuern somit zusätzlich die Herstellung. Zudem sind dickere Wandstärken anfällig für eine Lunkerbildung.
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Eine örtliche Aufdickung nach außen erfordert zudem bei gegebenem Bauraum ein Einziehen der Deckelhülle um den Betrag der Aufdickung, mit der Folge eines geringeren Deckelvolumens. Eine örtiche Aufdickung nach innen, erzeugt im Werkzeug Hinterschnitte und verteuert oder verhindert damit den Herstellprozess.
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Wegen dieser Nachteile wird der Weg verfolgt, Versteifungsrippen 5 mit vertikal orientierten Flächen in der ersten und zweiten Halbschale 2 und 3 auszubilden, welche aneinander aufliegen und miteinander verschweißt werden. Dadurch stellen die aus erster und zweiter Halbschale 2 und 3 geformten Versteifungsrippen 5 eine Vergrößerung der Schweißnahtfläche dar und erhöhen die Festigkeit des Luftfederdeckels.
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Das beispielhafte Konstruktionsprinzip des Luftfederdeckels lässt sich auch bei weiteren Druckkörpern eines Druckluftsystems anwenden. Beispielhaft sind Druckspeicher als Vorratsbehälter und als an das Luftfederbein angebrachte Zusatzvolumen, die nach dieser Art geformt sind.
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Solch ein beispielsgemäßer Druckkörper 1 als Druckspeicher/Luftspeicher eines Druckluftsystems ist der 5 in perspektivischer Ansicht und im Schnitt zu entnehmen.
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Der Querschnitt durch Druckkörper 1 verdeutlicht die konvexe Krümmung der Segmente 4, welche die Umfangswandung des Druckspeichers bilden und auch die Versteifungsrippen 5, welche nach innen zum umlaufenden Versteifungselement 6 zusammenlaufen. Die lediglich einmalig verwendeten Bezugszeichen 4 und 5 stehen stellverstretend für die Vielzahl an ersichtlichen Segmenten 4 und Versteifungsrippen 5.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckspeicher
- 2
- erste Halbschale
- 3
- zweite Halbschale
- 4
- Segment
- 5
- Versteifungsrippe
- 6
- Versteifungselement
- 7
- Zusatzring
- 8
- Dämpferlageraufnahme
- 9
- Luftanschluss
- 10
- Klemmgrund
- 11
- Querschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016112307 A1 [0002]
- DE 102012012902 A1 [0003]
