DE3508718C2 - Balgkörper aus thermoplastischem, elastromerem Kunststoff - Google Patents

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.