DE3508718C2 - Balgkörper aus thermoplastischem, elastromerem Kunststoff - Google Patents
Balgkörper aus thermoplastischem, elastromerem KunststoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Balgkörper aus thermoplastischem,
elastomerem Kunststoff, insbesondere zum Schutz von Automobil-
Achsgelenken, mit einem sich von einem Endabschnitt größeren
Durchmessers zu einem Endabschnitt kleineren Durchmessers wellen
förmig verjüngenden Mittelabschnitt mit jeweils in Umfangsrichtung
verlaufenden Wellenkämmen und Wellentälern.
Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von balgartigen Form
körpern dieser Art bekannt, bei denen das Ausgangsmaterial in
einer Form zu einem Balgkörper mit einer Reihe alternierend
aufeinanderfolgender Wellenkämme und Wellentäler verformt wird.
Hierzu wurden zwei Arten von Blasverformungsverfahren verwendet,
die sich vor allem in der Herstellungsweise des verwendeten Werk
stücksrohlings unterscheiden. Das eine Blasverformungsverfahren
arbeitet mit einem schneckenextrudierten Rohling, während das
zweite Verfahren einen durch Spritzguß erzeugten Rohling verwendet,
wobei in beiden Verfahren der Rohling jeweils durch Blasverformung
in einer entsprechenden Form aufgebläht wird. Die Rohlinge sind
hinreichend dick, um den beim Aufblähen auftretenden Forman
passungsspannungen zu widerstehen. Die auf diese Weise durch
Blasverformung erhaltenen Balg-Formkörper sind dennoch sehr dünn
und besitzen gewöhnlich eine Dicke von 0,7 bis etwa 1,8 mm.
Da es äußerst schwierig ist, bei der Herstellung solcher Formkörper
mittels reiner Spritzgußverfahren thermoplastische Polyester-
Elastomere zu verwenden, wurden bisher die vorstehend erwähnten
Blasverformungsverfahren angewandt, bei denen Spritzgußverfahren nur
intermediär zur Herstellung von Rohlingen benutzt wurden.
Die mit extrudierten Rohlingen arbeitenden Blasverformungsver
fahren haben jedoch den Nachteil, daß selbst bei Anwendung geeigneter
Mittel zur kontrollierbaren Einstellung der Dicke der er
zeugten Rohlinge bei den balgartigen Formkörpern spannungsbe
dingte Unregelmäßigkeiten in den relativen dicken Abmessungen der
Wellenkämme und Wellentäler auftreten. Technische Maßnahmen zur
Überwindung dieser Mängel sind bisher nicht gefunden worden.
Hinsichtlich des mit Spritzgußrohlingen arbeitenden Verfahrens
ist es ebenfalls sehr schwierig, gleichmäßige Dickenabmessungen
zu erhalten, was beim Gebrauch der Balgkörper zu unerwünschten
Deformierungen wie beispielsweise Ausbeulungen und Ausknickungen
führt. Darüber hinaus lassen weder das mit extrudierten Rohlingen
noch das mit Spritzgußrohlingen arbeitende Verfahren Verbesserungen
der Dimensionsgenauigkeit der Innendurchmesser der fertigen
Balgkörper zu. Angesichts dieser Nachteile besteht ein starkes
Bedürfnis nach Balgkörpern der genannten Art, die verbesserte
Abmessungstoleranzen aufweisen und im Betrieb keine unerwünschten
Deformationen zeigen.
Bisher wurde als äußerst schwierig angesehen, thermoplastische
Polyester-Elastomere zur Herstellung dünnwandiger Balgkörper
durch reines Spritzgußverfahren einzusetzen. Auch sind bisher
kaum andere spritzgußfähige Materialien vorhanden, welche die
erforderliche optimale Fließfähigkeit aufweisen, wie sie zur
Erzeugung dünnwandiger Balgkörper mit Wandstärken von etwa
0,7 bis 1,8 mm erforderlich sind.
Da die herkömmlichen Balgkörper dieser Art aus relativ weichen
Materialien bestehen, wurden ihre Wandungen durch die im Betrieb
bei hoher Drehzahl auftretenden Zentrifugalkräfte stark
ausgedehnt, so daß sie mit benachbarten Teilen in Berührung
kommen, was zu Abriebverschleiß führt. Da darüber hinaus die
strukturelle Eigenfestigkeit der Formkörper relativ niedrig ist,
zeigt sich schon nach kurzer Einsatzzeit eine Bruchneigung infolge
der durch die wiederholten Dehnungen und Kontraktionen
beschleunigten Materialermüdung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
insbesondere dünnwandigen Balgkörper (mit etwa 0,7 bis
1,8 mm Wandstärke) der eingangs genannten Art mit wesentlich
besserer Dimensionsgenauigkeit und einer dauerhaften
Deformationsbeständigkeit besonders wirtschaftlich
herzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des
Anspruchs 1.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Balgkörpers sind im
Unteranspruch beschrieben.
Wenn zur Herstellung des Balgkörpers durch Spritzguß-Formgebung
ein Material mit hoher Härte und gleichzeitig hohem
Elastizitätsmodul verwendet werden soll, ist es erforderlich, die
Materialeigenschaften und die Form des zu erzeugenden Balgkörpers
so aufeinander abzustimmen, daß sowohl eine zufriedenstellende
Entformbarkeit als auch eine gute Reproduzierbarkeit des
erzeugten Produkts erreicht werden. Dabei ist die Formgebung des
Balgkörpers von besonderer Bedeutung. Gleichzeitig müssen
jedoch Materialeigenschaften wie die zur Entformung nach der
Herstellung erforderlichen Dehnungs- und Zugkräfte berücksichtigt
werden. Dies gilt insbesondere, wenn der Balgkörper aus
einem Material hoher Härte und gleichzeitig hohem Elastizitäts
modul erzeugt wird.
Allgemein gesprochen muß das Entformen aus der Form notwendiger
weise innerhalb der Elastizität des Materials erfolgen,
damit permanente Deformationen vermieden werden. Vom Standpunkt
der Materialauswahl muß daher das zum Einsatz bestimmte thermo
plastische Polyester-Elastomer (TPE) sowohl eine hohe Zugstreck
grenze (d. h. hohe Zugfestigkeit an der Streckgrenze in kg/cm²),
als auch hohe Zug-Streckdehnung (d. h. hohe prozentuale Dehnung an
der Streckgrenze, i. e. dem nach ASTM D 638 gemessenen Fließpunkt,
bei welchem permanente Deformation aufzutreten beginnt) besitzen.
Das Kriterium für die Entformbarkeit besteht daher darin, daß die
Entnahme aus der Form innerhalb der Zugstreckgrenze und der Zug-
Streckdehnung des Materials ausführbar sein muß.
Das für die erfindungsgemäßen Balgkörper verwendete
Material ist ein hochelastisches, thermoplastisches Polyester-
Elastomer mit:
- a) einem Zug-Elastizitätsmodul zwischen etwas 430 und 1700 kg/cm² (wobei dieser Modul die Härte des thermoplastischen Polyester- Elastomer zwischen etwa 85°C und etwa 99°C, gemessen mit einem JIS Feder-Härtemesser des Modells "A" anzeigt),
- b) einer Zug-Streckgrenze über etwa 70 kg/cm² und
- c) einer Zugdehnung an der Streckgrenze von über etwa 30%.
Wie bereits erwähnt, ist außer der Materialauswahl die geeignete
Formgebung des Balgkörpers eine wichtige Voraussetzung zur Er
reichung der erfindungsgemäßen Ziele. Die geeignete Formauslegung
trägt außer der Spritzguß-Verformung eines thermoplastischen
Polyester-Elastomer zur Erreichung der vorstehend
genannten Spezifikation und einer zufriedenstellenden Entform
barkeit Rechnung. Die Formgebung ist darüber hinaus wichtig, um Endprodukte
zu erzielen, die von anormalen Deformationen und Ausbeulungen
frei sind, wie sie durch die im Betrieb auftretenden Winkel
veränderungen hervorgerufen werden.
Der als Ergebnis von Untersuchungen im Sinne dieser Überlegungen
konzipierte Balgkörper weist in seinem den Endabschnitt größeren
Durchmessers mit dem Endabschnitt kleineren Durchmessers verbindenden,
sich wellenförmig verjüngenden Mittelabschnitt in Umfangs
richtung verlaufende Wellenkämme und Wellentäler auf, bei denen
das Verhältnis des Außendurchmessers jedes Wellenkammes zum Außen
durchmesser des jeweils zum Endabschnitt größeren Durchmessers hin
angrenzenden Wellentales im Bereich zwischen 1,08 und 1,40 liegt.
Bei Einhaltung dieser Bedingungen erhält man einen Balg-Formkörper,
der bei den im normalen Betrieb häufig auftretenden ausgeprägten
Gelenkauslenkungen von anormalen Deformationen und Ausbeulungen
frei bleibt.
Wenn das vorstehend genannte Verhältnis der Außendurchmesser
unter etwa 1,08 läge, wird die Gesamtlänge der geneigten Balg
abschnitte sehr kurz, so daß beim Einbau des Balgkörpers an der
Querachse eines Automobils mit Frontantrieb wegen der scharfen
Auslenkung des Gelenkes zwischen dem Antriebsschaft und der Rad
achse bis zu einem Auslenkwinkel von über 20° ein Teil der an
der Außenseite des ausgelenkten Gelenks liegender Teil der Balg
wand fast bis in eine flache Stellung gedehnt und das Balg
material selbst erheblichen Spannungen ausgesetzt wird, so daß
schon nach kurzer Betriebsdauer eine Bruchneigung auftritt.
Wenn zur Vermeidung dieser Schwierigkeit die Gesamtlänge der ge
neigten Balgabschnitte vergrößert wird, wird auch die relative
Tiefe der Wellentäler vergrößert. Wenn das vorstehend genannte
Verhältnis der Außendurchmesser aber 1,40 übersteigt, wird wegen
des hohen Elastizitätsmoduls des Materials das Entformen bei der
Herstellung äußerst schwierig. Darüber hinaus werden nach dem
Entformen die Dimensionen des Balgkörpers irregulär verlängert.
Auch wird beim Auslenken des Gelenks die Form des an seiner
Innenseite zusammengedrückten Wandungsabschnittes ebenfalls irregulär,
was die Lebensdauer des Balgkörpers vermindert. Daher soll
das vorstehend genannte Verhältnis der Außendurchmesser zwischen
1,08 und 1,40 und vorzugsweise zwischen etwa 1,15 und etwa 1,35
liegen.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des Balgkörpers
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung weiter erläutert.
Die Zeichnung zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen
Balgkörper mit einem Endabschnitt 1 größeren Durchmessers, einem
Endabschnitt 8 kleineren Durchmessers und einem diese unter
wellenförmiger Verjüngung verbindenden Mittelabschnitt BE. Dieser
Balgkörper weist fortschreitend vom Endabschnitt 1 größeren Durch
messers zum Endabschnitt 8 kleineren Durchmessers ein Wellental 2,
einen anschließenden Wellenkamm 3, ein anschließendes Wellental 4,
einen anschließenden Wellenkamm 5, ein anschließendes Wellental 6
und einen anschließenden Wellenkamm 7 auf, der an den Endabschnitt
8 kleineren Durchmessers angrenzt. Die Wellentäler 2, 4 und 6
haben jeweils einen Außendurchmesser A bzw. C bzw. E, während die
Wellenkämme 3 bzw. 5 bzw. 7 jeweils einen Außendurchmesser B bzw.
D bzw. F besitzen.
Zur Überprüfung der Eigenschaften von Balgkörpern mit unterschied
lichem Verhältnis der genannten Außendurchmesser wurde eine Reihe
von Vergleichsversuchen durchgeführt. Hierzu wurde eine Spritzguß
maschine der Firma Nissei Joshi verwendet, bei welcher die Spritz
düse eine Temperatur von 210°C, der Heizzylinder am vorderen Ende
eine Temperatur von 205°C, im mittleren Abschnitt eine Temperatur
von 195°C und im rückwärtigen Teil eine Temperatur von 185°C
aufwies, die Drehzahl der Schnecke 78 U/min und der Spritzdruck
1100 kg/cm² betrug. Die Spritzzeit betrug 5 Sekunden, die Abkühl
zeit 10 Sekunden und die Temperatur der Metallformen 40°C. Als
thermoplastisches Polyester-Elastomer (TPE) wurde das von der
Firma Toyoba Co. Ltd. unter Bezeichung Perpuren P 40H vertriebene
Material verwendet.
In den einzelnen Versuchen wurden Balgkörper mit den in der
folgenden Tabelle angegebenen Außendurchmessern der einzelnen
Wellenkämme und Wellentäler hergestellt.
Die Balgkörper 2 und 3 ließen sich zufriedenstellend entformen
und zeigten nach dem Einbau im Betrieb keine durch die dabei auf
tretenden Auslenkwinkel erzeugten anormalen Deformationen und
Ausbeulungen. Der Balgkörper 1 ließ sich zufriedenstellend entformen,
zeigte jedoch nach dem Einbau im Betrieb bei Auslenkwinkeln
von etwa 10 bis 15 Grad permanente Dehnungen in den Wellentälern,
und bei größeren Auslenkwinkeln traten auch Ausbeulungen auf. Der
Balgkörper 4 erlitt beim Entformen stets bleibende Dehnungen in
den Wellentälern.
Diese Ergebnisse zeigten, daß bei Verwendung des thermoplastischen
Polyester-Elastomeren bei einem Durchmesserverhältnis von unter
etwa 1,05 nach dem Einbau bei Auslenkwinkeln von etwa 15 Grad
Deformationen eintreten, die das Produkt für den praktischen Ein
satz ungeeignet machen. Wenn dagegen das Durchmesserverhältnis
1,40 übersteigt, treten irreguläre Deformationen auf. Dies läßt
erkennen, daß die erfindungsgemäßen Balgkörper mit einem Durch
messerverhältnis zwischen 1,08 und etwa 1,40 in reproduzierbarer
Weise die gewünschten Eigenschaften ergeben.
Claims (2)
1. Durch Spritzgießen hergestellter
Balgkörper, insbesondere zum Schutz von Automobil-Achsgelenken, aus
einem thermoplastischen Polyester-Elastomer mit
- A) einer Zugstreckgrenze von mindestens 70 kg/cm²,
- B) einer Zugdehnung an der Zugstreckgrenze von mindestens etwa 30% sowie
- C) einem Zug-Elastizitätsmodul im Bereich von etwa 430 kg/cm² bis etwa 1700 kg/cm²,
- D) einem sich von einem Endabschnitt (1) größeren Durchmessers zu einem Endabschnitt (8) kleineren Durchmessers wellenförmig verjüngenden Mittelabschnitt (Be) mit jeweils in Umfangsrichtung verlaufenden Wellenkämmen (3, 5, 7) und Wellentälern (2, 4, 6), wobei
- E) das Verhältnis des Außendurchmessers (B, D, F) jedes Wellenkammes (3, 5, 7) zum Außendurchmesser (A, C, E) des jeweils zum Endabschnitt (1) größeren Durchmessers hin angrenzenden Wellentals (2, 4, 6) zwischen 1,08 und 1,4 liegt.
2. Balgkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis des
Außendurchmessers (B, D, F) jedes Wellenkammes (3, 5, 7)
zum Außendurchmesser (A, C, E) des jeweils zum
Endabschnitt (1) größeren Durchmessers hin angrenzenden
Wellentals (2, 4, 6) zwischen 1,15 und
1,35 liegt.
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