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7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
1/128
Witzenmann GmbH
stliche Karl-Friedrich-Str. 13475175 PforzheimTelefon +49 - (0)7231 - 581- 0Telefax +49 - (0)7231 - 581- [email protected]
www.witzenmann.de
Das Handbuch der Metallblge
0441/2/0
4/10/20
Metallblge
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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Das Handbuch der Metallblge
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Handbuch der Metallblge
Inhalt
4.3 Druckfestigkeit und Knickstabilitt 62
4.4 Ermdungslebensdauer 67 4.5 Angulare und laterale Verformung 71
4.6 Torsion und Torsionsknicken 73
4.7 Balgfederraten 75
4.8 Druckreaktionskraft und hydraulischer Durchmesser 76
Kapitel 5 Produktprfungen bei Witzenmann 78
5.1 Prf- und Analysemglichkeiten 80
5.2 Typische Prfungen von Metallblgen 82
Kapitel 6 Technische Tabellen 86 6.1 Balgauswahl aus dem Handbuch 88
6.2 Balgauswahl mit Flexperte 94
6.3 HYDRA-Metallblge aus Edelstahl (Vorzugsreihe) 95
6.4 HYDRA-Metallblge fr ANSI Ventile 116
6.5 HYDRA-Metallblge aus Bronze (Vorzugsreihe) 126
6.6 HYDRA-Membranblge Normalprofil (Vorzugsreihe) 130
6.7 HYDRA-Membranblge Schmalprofil (Vorzugsreihe) 144
6.8 Geometrie der Anschlussteile fr Metall- und Membranblge 154
6.9 HYDRA-Dehnzellen 162
6.10 HYDRA-Przisionsrohre 164
Kapitel 7 Datenbltter 172
7.1 Werkstoffdatenbltter 174
7.2 Korrosionsbestndigkeit 200
7.3 Umrechnungstabellen und Formelzeichen 239
7.4 Anfragespezifikation 250
7.5 Unterlagen zu weiteren Produkten 251
Handbuch der Metallblge
Inhalt
Kapitel 1 Witzenmann der Spezialist fr flexible metallische Elemente 4
Kapitel 2 Produkte und Fertigungsverfahren 6
2.1 HYDRA-Metallblge (Wellblge) 8
2.2 HYDRA-Przisionsblge 12
2.3 HYDRA-Membranblge 14
2.4 HYDRA-Dehnzellen 16
2.5 HYDRA-Przisionsrohre 18
2.6 Werkstoffe 20
2.7 Borde und Anschlussteile 24
2.8 Verbindungstechnik 29
2.9 Qualittsmanagement 31 2.10 Zertifizierungen und kundenspezifische Zulassungen 35
Kapitel 3 Typische Balganwendungen 38
3.1 Ventilspindelblge 40
3.2 Ventilspindelblge fr Kernkraftwerke 42
3.3 Vakuumanwendungen 43
3.4 Kleinkompensatoren 44
3.5 Solaranwendungen 45
3.6 Gleitringdichtungen 47
3.7 Sensoren und Aktoren 48 3.8 Metallbalgspeicher 50
3.9 Balgkupplungen 51
3.10 Metallblge fr moderne PKW Motoren 52
Kapitel 4 Balgberechnung und Balgeigenschaften 56
4.1 Festigkeitsnachweis fr Metallblge 58
4.2 Lastspannungen 60
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1 | Witzenmann, der Spezialist fr bewegliche metallische Elemente
Lsungskompetenz
Immer wenn bewegliche Bauteiledruck-, temperatur- und medienbestn-
dig abgedichtet werden mssen, wenn
Verformungen von Rohrleitungen durch
Temperaturwechsel oder Drucknde-
rungen kompensiert werden mssen,
wenn in Leitungssystemen Schwingun-
gen auftreten, wenn Medien
unter Druck zu frdern sind oder
wenn ein hohes Vakuum abzudichten
ist, kommen bewegliche metallische
Elemente zum Einsatz. Das sind z.B.
Metallblge, Membranblge, Metall-
schluche oder Kompensatoren.
Witzenmann als Erfinder des Metall-
schlauches und Begrnder der Metall-
schlauch- und Kompensatorenindustrie
ist hier die erste Adresse. Basiserfin-
dung war der 1885 entwickelte und
patentierte Metallschlauch, 1920 folgte
das Patent auf den Metallkompensator.
Weltweit prsent
Als internationale Firmengruppe mitmehr als 3.000 Mitarbeitern und ber
23 Unternehmen steht Witzenmann
heute fr Innovation und hohe Qualitt.
Als Technologiefhrer bietet Witzen-
mann umfassendes Entwicklungs-
Know-How und das breiteste Produkt-
programm der Branche. So entstehen
Lsungen fr bewegliche Dichtungen,
Schwingungsentkopplung, Druckdmp-
fung, Kompensation von thermischen
Dehnungen, flexible Montage oder
fr das Leiten von Medien. Als Ent-
wicklungspartner fr Kunden in der
Industrie, der Automobilindustrie, dem
TGA-Bereich, der Luft und Raumfahrt,
und zahlreichen weiteren Mrkten ver-
fgt Witzenmann ber einen eigenen
Maschinen-, Werkzeug- und Musterbau
sowie umfassende Test- und Prfsys-
teme.
Ein wesentlicher Faktor in der Zu-
sammenarbeit mit Kunden ist dietechnische Beratung im Witzenmann-
Kompetenzzentrum, dem Pforzheimer
Stammhaus in Deutschland. Hier arbei-
ten Teams hochqualifizierter Ingenieure
in enger Zusammenarbeit mit dem
Kunden an Produktentwicklungen
und neuen Anwendungen. Unsere
Fachleute begleiten den Kunden von
der ersten Vorplanung bis zur Serien-
produktion.
Bessere Produkte
Auf der Basis dieses bergreifendenWissens entstehen Synergieeffekte,
die in jeder Produktlsung erfahrbar
werden. Die Vielfalt der Einsatzfelder ist
nahezu grenzenlos. Allen Produktlsun-
gen gemeinsam ist jedoch eines: Maxi-
male Sicherheit, auch unter teilweise
extremen Einsatzbedingungen. Dies gilt
fr alle Witzenmann-Lsungen von
hochflexiblen Schlauchleitungen oder
Kompensatoren fr den Einsatz in der
Industrie bis hin zu Przisionsblgen
fr Hochdruckkraftstoffpumpen, Piezo-
injektoren oder Drucksensorglhkerzen
in modernen PKW-Motoren.
Witzenmann
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2 | Produkte und Fertigungsverfahren
7
2.1 | HYDRA-Metallblge (Wellblge) 8
2.2 | HYDRA-Przisionsblge 12
2.3 | HYDRA-Membranblge 14
2.4 | HYDRA-Dehnzellen 16
2.5 | HYDRA-Przisionsrohre 18
2.6 | Werkstoffe 20
2.7 | Borde und Anschlussteile 24
2.8 | Verbindungstechnik 29
2.9 | Qualittsmanagement 31
2.10 | Zertifizierungen und kundenspezifische Zulassungen 35
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2.1 | HYDRA-Metallblge (Wellblge)
Metallblge sind dnnwandige zylindrische
Bauteile. Sie haben in ihrer Mantelflcheeine Wellenstruktur senkrecht zur Zylinder-
achse. Durch diese Wellenstruktur besitzen
sie eine hohe Beweglichkeit bei axialer,
lateraler und/oder angularer Verformung.
Gleichzeitig sind sie druckfest, dicht, tem-
peratur- und korrosionsbestndig sowie
torsionssteif. Immer dann, wenn eine Kom-
bination mehrerer dieser Eigenschaften
gefordert ist, sind Metallblge das bevor-
zugte Konstruktionselement; z.B.
als druck- und temperaturbestndige
Abdichtung von Ventilspindeln in
Armaturen,
als Vakuumschaltblge in
Starkstromanlagen,
als bewegliche Dichtung in Pumpen
und Druckspeichern,
als bewegliches sowie druck- und
temperaturfestes Dichtelement in
modernen Benzininjektoren und
Glhkerzen, als mechanische Wellenkupplung,
als dichtes Federelement in Gleitring-
dichtungen oder
als dichte und mechanisch spannungs-
freie Durchfhrungen durch Behlter-
wnde.
Bei sachgerechter Auslegung sind HYDRA-
Metallblge robuste und wartungsfreie
Bauteile mit groer Betriebssicherheit und
hoher Lebensdauer.
HYDRA-Metallblge werden aus dnnwan-
digen Rohren durch hydraulische Umfor-
mung hergestellt. Je nach Anforderungs-
profil knnen sie ein- oder vielwandig
ausgefhrt werden. Einwandige Blge
haben kleine Federraten und finden beson-
ders in der Vakuumtechnik Anwendung.
Vielwandige Blge besitzen eine hohe
Druckfestigkeit und gleichzeitig eine groe
Beweglichkeit. Sie werden z.B. als Ventil-
spindelabdichtung mit Betriebsdrcken
ber 400 bar eingesetzt.
Die zur Balgherstellung verwendeten
dnnwandigen Rohre werden bei Witzen-
mann in der Regel aus Metallbndern
mit einer Wanddicke von 0,1 mm bis 0,5
mm durch Lngsnahtschweiung im
Endlosverfahren hergestellt (Bild 2.1.2.
oben links). Diese Halbzeuge werden auch
als separates Rohrprogramm vertrieben.
Alternativ knnen lngsgezogene Rohre
oder tiefgezogene Hlsen als Halbzeug
verwendet werden. Bei der Herstellung
von vielwandigen Blgen werden vor
dem Balgpressen mehrere fein abgestufte
Rohrzylinder ineinandergeschoben (Bild
2.1.2. oben rechts). Beim Balgpressen wird
durch uere und innere Werkzeuge ein
Zylinderstck abgeteilt und durch eine
Hydraulikflssigkeit mit Innendruck beauf-
schlagt. Der Flssigkeitsdruck formt den
abgedichteten Rohrabschnitt zur Vorwelle
aus. Im folgenden Arbeitsschritt wird das
Werkzeug axial zusammengefahren und
die eigentliche Balgwelle entsteht durch
das Aufrichten der Vorwelle. blicherweise
werden die Balgwellen im Einzelwellver-
fahren nacheinander hergestellt.
Mit einem aufwndigeren Werkzeug kn-
nen nach dem gleichen Prinzip auch meh-
rere Wellen in einem Arbeitsgang geformt
werden (Simultanverfahren, Bild 2.1.2.
unten), was sich bei greren Stckzahlen
als wirtschaftlicheres Verfahren anbietet.
2.1 | HYDRA-Metallblge (Wellblge)
Bild 2.1.1.: HYDRA-Metallbalg mit Anschlussteilen (links) und ohne Anschlussteile (rechts)
flexibel
und
druckfest
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Die Hhe und damit die Beweglichkeit der
Balgwelle wird durch die Duktilitt des
eingesetzten Werkstoffes beschrnkt. Mit
austenitischen Edelsthlen und Nickelba-
sislegierungen knnen im Einzelwellver-
fahren Verhltnisse zwischen Auen- und
Innendurchmesser der Balgwelle zwischen1:1,5 (Nennweite 15) und 1:1,3 (Nennweite
150) erreicht werden. Im Simultanverfah-
ren sind die herstellbaren Durchmesser-
relationen etwas geringer.
Um den Balg aus dem Werkzeug entneh-
men zu knnen, darf das Profil nach dem
Balgpressen nicht hinterschnitten sein
(Bild 2.1.3. links). Solche sinusfrmigen,
bzw. u-frmigen nicht hinterschnittenen
Profile werden z.B. bei sehr niedrigen
Profilhhen (Sicken) oder bei extremdruckfesten Blgen verwendet. In der
Regel wird der Balg noch in Achsrichtung
gestaucht, so dass ein hinterschnittenes
Profil (-Profil, Bild 2.1.3. rechts) entsteht.
Die Vorteile des -Profils sind eine erheb-
lich geringere Federrate je Welle und eine
krzere Wellenlnge. Bei gleicher Bauln-
ge hat ein Balg mit -Profil eine hhere
Wellenzahl als ein Balg mit sin-Profil und
kann daher grere Bewegungen kom-
pensieren.
Blge mit Boden
Blge mit Boden knnen direkt aus tief-
gezogenen oder fliegepressten Hlsenhergestellt werden. Bronze und Tombak
sind hierfr als Werkstoffe besonders
geeignet. Auch Edelstahlhlsen sind durch
Tiefziehen oder Rckwrtsfliepressen
herstellbar, jedoch mit wesentlich hhe-
rem Aufwand. Da fr die Herstellung der
Hlse in der Regel ein spezielles Werkzeug
erforderlich ist, empfiehlt sich dieses Ver-
fahren aus Wirtschaftlichkeitsgrnden erst
bei groen Stckzahlen.
Bei kleinen Stckzahlen oder mehrwan-digen Blgen ist es gnstiger, Dreh- oder
Drckteile in Blge aus Bronze einzulten.
Fr Edelstahlblge ist der Einsatz von
Scheiben, die als Boden an den Balg
angeschweit werden, sinnvoll. Eine
Schweianbindung an Dreh- oder
Drckteile ist ebenfalls mglich.
2.1 | HYDRA-Metallblge (Wellblge)
Bild 2.1.3.: Ungestauchtes (links) und gestauchtes Balgprofil (rechts)
Bild 2.1.2: Herstellung von Metallblgen im Simultanverfahren
2.1 | HYDRA-Metallblge (Wellblge)
RohrfertigungRohrschweissen
Rohr formen Rohrtrennen
Werkzeug schlieenRohr abdichten
Rohr mit Innendruck pbeaufschlagenWerkzeug nachfhren
Werkzeug ffnenAbdichtung ffnen
Rohr fgen
Zwischenschrittmit mehrlagigenBlgen
Balgfertigung
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HYDRA-Przisionsblge erfllen die hchs-
ten Anforderungen bzgl. Mahaltigkeit,Sauberkeit, Funktionalitt und Lebensdau-
er. Speziell auf Kundenanforderungen und
eine wirtschaftliche Groserienfertigung
zugeschnitten, werden diese Blge unter
Reinraumbedingungen hergestellt. Die
kleinsten HYDRA-Przisionsblge sind nur
wenige Millimeter gro und dadurch auch
fr Anwendungen in mechatronischen Sys-
temen geeignet.
HYDRA-Przisionsblge werden in der
Automobilindustrie als hochdruckfeste undflexible Dichtungen fr Piezosensoren und
-aktuatoren verwendet. Fr Applikationen
in Benzininjektoren oder Drucksensorglh-
kerzen mssen pulsierende Drcke von ca.
300 bar dauerfest ertragen werden. Blge
mit deutlich erhhter Druckfestigkeit, z.B.
zur direkten Nadelabdichtung von Diesel-
injektoren, stehen ebenfalls zur Verfgung.
Ein weiteres Einsatzgebiet haben Przi-
sionsblge als hochflexible, n icht druck-
tragende Dichtungen. Fr eine groe
Volumenverdrngung bentigen diese
Blge eine sehr hohe Beweglichkeit,
zudem ist in der Regel eine Lebensdauer
grer als 109Lastspiele gefordert. Ein-
gesetzt werden solche Przisionsblge in
modernen Benzinpumpen, in Druckspei-
chern oder Druckdmpfern.
HYDRA-Przisionsblge werden speziell
fr die jeweiligen Einsatzbedingungen
entwickelt. Teil der Entwicklungsleistung
sind auch der rechnerische Nachweis von
Temperatur-, Druckbestndigkeit und
Lebensdauer sowie eine Validierung und
Requalifizierung unter einsatznahen Prf-
bedingungen.
2.2 | HYDRA-Przisionsblge 2.2 | HYDRA-Przisionsblge
Bild 2.2.1.: HYDRA-Przisionsblge
Bild 2.2.2.: HYDRA-Przisionsbalgfertigung unter Reinraumbedingungen
ab 3 mm
Durch-
messer
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HYDRA-Membranblge bestehen aus
paarweise aneinander geschweitenMembranscheiben. Bild 2.3.2. zeigt den
schematischen Aufbau eines Membran-
balgs sowie ein typisches Membran-
balgprofil im metallographischen Schliff.
Membranblge haben eine hohe spezi-
fische Dehnungsaufnahme (bis zu 80 %
der Baulnge), eine sehr kleine Federrate
sowie einen groen hydraulischen Quer-
schnitt. Die Druckfestigkeit ist in der Regel
auf wenige Bar begrenzt. Membranblge
eignen sich daher besonders fr Nieder-
druck- oder Vakuumanwendungen.HYDRA-Membranblge werden in Mess-
und Regelgerten, in der Vakuumtechnik,
in der Luft- und Raumfahrt, in der Medi-
zintechnik, im Sonderarmaturenbau, in
Gleitringdichtungen sowie als Volumen-
ausgleichskrper in lgekhlten Hoch-
spannungsanlagen eingesetzt.
Die Membranblge werden in zwei Bau-
reihen angeboten: Wellmembranblge in
Normalausfhrung sowie Wellmembran-
blge mit Schmalprofil. Letztere sind durchdie kompakten Einbaumae und die relativ
hohe Federrate besonders fr Gleitring-
dichtungen geeignet.
Bauartbedingt treten bei Membranblgen
an den Schweinhten hohe Kerbspan-
nungen auf. Um eine hohe Lebensdauer
zu gewhrleisten, sollten Zugbelastungen
weitestgehend vermieden werden. Dies
wird durch eine Aufteilung des Axialweges
in 80% Stauchen (Balgverkrzung) und
20% Strecken (Balgverlngerung) erreicht.
Bei hiervon abweichenden Lastaufteilun-gen sollte der Balg vorgespannt eingebaut
werden.
2.3 | HYDRA-Membranblge 2.3 | HYDRA-Membranblge
Bild 2.3.2.: Membranbalgprofil schematisch (links) und im metallographischen Schliff (rechts)
Neben HYDRA-Membranblgen knnen
auf Anfrage auch
Rillmembranscheiben (Bild 2.3.3 oben),
Rillmembranscheiben mit flachem Boden
(Bild 2.3.3. Mitte) sowie
Flachmembranscheiben(Bild 2.3.3. unten)
in den Wanddicken 0,1 mm, 0,15 mm,
0,2 mm 0,25 mm und 0,3 mm angeboten
werden. Der Einsatz solcher Membran-
scheiben als elastisches Element ist sinn-
voll, wenn die Arbeitshbe bzw. verscho-
benen Volumina klein sind und eine groe
Systemsteifigkeit gefordert ist.
Bild 2.3.3.: HYDRA-Membranscheiben: Rillmembran-
scheiben (oben), Rillmembranscheiben mit flachem
Boden (Mitte) sowie Flachmembranscheiben (unten)
Bild 2.3.1.: HYDRA-Membranbalg
hochflexibel
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HYDRA-Dehnzellen werden zur Aufnahme
von Volumennderungen verwendet. IhreVorteile sind ein hoher Volumenausgleich
bei geringem Ansprechdruck, Korrosi-
ons- und Temperaturbestndigkeit sowie
Langzeitdiffusionsdichtheit und hohe
Lebensdauer.
Funktionsbedingt haben HYDRA-Dehn-
zellen eine geringe Druckfestigkeit. Diese
kann jedoch durch die Verwendung von
Sttzringen oder von speziell profilierten
Kernen erheblich gesteigert werden.
Die Druck-Volumen-Kennlinien vonHYDRA-Dehnzellen sind nichtlinear (Bild
2.4.2.), die bezogene Volumenzunahme
V/p verringert sich mit steigendem
Druck.
HYDRA-Dehnzellen werden aus tiefgezo-
genen Edelstahlmembranen mit spezieller
Profilierung gefertigt, die am Umfang mit-
einander verschweit werden. Standard-
mige Anschlsse sind leicht montierbareMessing-Klemmringverschraubungen.
Andere Anschlsse sind auf Anfrage lie-
ferbar. Einbaumglichkeit besteht u.a. in
Sulenanordnung, wobei mehrere Zellen
zur Erzielung grerer Volumina gekoppelt
werden knnen.
Ein Einsatzgebiet von HYDRA-Dehnzellen
ist z.B. die Kompensation temperaturbe-
dingter Volumennderungen von Isolierl
in Hochspannungswandlern. Dabei wird
das Isolierl in der Dehnzelle hermetischdicht nach auen abgeschlossen und so
der Innenraum des Isolators geschtzt.
Ein anderer Anwendungsfall ist der Einsatz
von HYDRA-Dehnzellen als hochdynami-
sche Dmpfungselemente zur Verringerung
von Drucksten in schnell laufenden Kol-
benpumpen.
2.4 | HYDRA-Dehnzellen 2.4 | HYDRA-Dehnzellen
Bild 2.4.1.: HYDRA-Dehnzelle
Bild 2.4.2.: Kennlinie einer HYDRA-Dehnzelle
(schematisch)
hoher
Volumen-
ausgleich
Druck
Verdrngtes Volumen
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Fr die Herstellung unserer Metallblge
werden als Halbzeug dnnwandige Edel-stahlrohre mit lngsgeschweiter Stumpf-
naht gefertigt. Standardwerkstoff ist
1.4571, ein groer Teil der Abmessungen
ist auch in den Edelstahlqualitten 1.4541,
1.4828 sowie in Titan, Nickel oder in den
Nickelbasislegierungen Inconel 625, Inco-
loy und Hastelloy lieferbar. Die Toleranzen
fr Rohrdurchmesser und Lnge liegen im
Bereich von 0,1 mm. Die maximale Liefer-
lnge eines Rohres betrgt 6,50 m; krzere
Stcke sind in beliebiger Lnge beziehbar.
2.5 | HYDRA-Przisionsrohre 2.5 | HYDRA-Przisionsrohre
Bild 2.5.1.: HYDRA-Przisionsrohre
extrem
dnnwandig
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Balgwerkstoffe mssen eine hohe Verform-
barkeit aufweisen. Daher werden vorzugs-weise Metalle mit einer kubisch-flchen-
zentrierten Gitterstruktur verwendet. Die
wichtigsten Werkstofffamilien fr die
Balgherstellung sind austenitische Edel-
sthle, Nickel und Nickelbasislegierungen
sowie Bronze. Die Werkstoffauswahl erfolgt
aufgrund der Anforderungen bzgl.
Medien- und Korrosionsbestndigkeit,
Temperaturbestndigkeit sowie statischer
Festigkeit und Ermdungsfestigkeit.
Die Tabelle 2.6.1. gibt einen berblickber verfgbare Balgwerkstoffe und ihre
Eignung fr die Well- bzw. Membranbalg-
fertigung.
Standardwerkstoff fr Metallblge ist der
Ti-stabilisierte austenitische Edelstahl
1.4571. Er weist eine hohe Korrosionsbe-
stndigkeit, gute statische Festigkeitswer-
te, eine hohe Ermdungsfestigkeit, eine
vorzgliche Verarbeitbarkeit und im
Vergleich mit anderen Balgwerkstoffen
einen gnstigen Preis auf. Die fr Ti-
stabilisierte Werkstoffe typischen Ti(CN)-Ausscheidungen sind bei Metallblgen
verfahrensbedingt parallel zu Balgober-
flche angeordnet, so dass sie weder als
mechanisch Kerbe noch als mgl iche
Diffusionspfad die Leistungsfhigkeit
des Balges beintrchtigen.
In der Lebensmittel-, Medizin- und
Vakuumtechnik werden oft die nicht
Ti-stabilisierten Edelsthle 1.4404 oder
1.4441 verwendet. Diese Werkstoffe haben
gegenber dem 1.4571 eine hhere Rein-heit, eine leicht herabgesetzte statische
Festigkeit, eine geringfgig verminderte
Ermdungsfestigkeit sowie eine hhere
Heirissneigung beim Schweien.
Fr Temperaturen ber 550 C haben sich
hitzebestndige Sthle bewhrt. Ein Bei-
spiel ist der Werkstoff 1.4876 fr motornahe
Kompensatoren in Abgasanlagen.
2.6 | Balgwerkstoffe 2.6 | Balgwerkstoffe
Tabelle 2.6.1.
Verfgbare Balgwerkstoffe, Vorzugswerkstoffe sind fett hervorgehoben
Werkstoff-nummer
Werkstoffart/Handelsname
Eignung fr Bemerkung
1.4541 Ti-stablilisierte austenitischeEdelsthle
++ ++
1.4571 ++ ++ Standardwerkstoff
1.4404 Ti-freie austenitischeEdelsthle
++ ++ Lebensmittel- und Vakuumtechnik1.4441 ++ ++ auf Anfrage
1.4828 zunderbestndiger Edelstahl + +
1.4876 Incoloy 800 H ++ ++ fr Temperaturen ber 550 C geeignet
1.456417-7 PH ++ +
aushrtbare Edelsthle1.4568
AM 350 + +
2.4816 Inconel 600 + + auf Anfrage
2.4856 Inconel 625 ++ ++ Standardwerkstoffe bei hohen Drcken,Temperaturen und/oder erhhten
Korrosionsanforderungen2.4819 Hastelloy C-276 ++ ++
2.4610 Hastelloy C-4 + hohe Surebestndigkeit
2.4617 Hastelloy B-2 +
3.7025 Reintitan Grade 1 + +
3.7035 Reintitan Grade 2 + +
2.4360 Monel + auf Anfrage
2.4060 Reinnickel +
2.1020 Bronze CuSn6 ++
2.1030 Bronze CuSn8 ++
Well- Membran- blge blge
umfassendes
Know-how
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Er weist exzellente Zeitstandfestigkeits-
kennwerte auf und ist bei Temperaturen
ber 550 C fr druckbeanspruchte Bautei-
le zugelassen.
Im Ventilbereich werden bei erhhten
Korrosionsanforderungen sowie beihohen Drcken und Temperaturen Blge
aus Nickelbasislegierungen eingesetzt.
Standard sind die Werkstoffe 2.4819 und
2.4856. Blge aus diesen Nickelbasislegie-
rungen haben aufgrund der hheren stati-
schen Festigkeit des Werkstoffs auch eine
hhere Druckfestigkeit als gleichartige
Blge aus austenitischem Edelstahl.
Die Lebensdauer von Blgen aus Nickel-
basislegierungen bei Raumtemperatur
ist in Bild 4.8.1. im Vergleich mit der vonBlgen aus austenitischem Edelstahl auf-
getragen. Vorteilhaft ist der Einsatz von
Nickelbasislegierungen bis zu ca. 50.000
Lastwechseln. Im Bereich hherer Last-
spielzahlen ist dagegen die Ermdungs-
festigkeit von austenitischen Edelsthlen
grer.
Im Hochtemperaturbereich ist die Lebens-
dauer der Nickelbasislegierungen generellgrer als die der Edelsthle.
Fr Sonderanwendungen knnen auch
aushrtbare Edelsthle oder aushrtbare
Nickelbasislegierungen verwendet wer-
den. Diese Werkstoffe werden nach dem
Balgformen einer Wrmebehandlung
unterzogen, die zu einer erheblichen
Steigerung der statischen Festigkeit
und der Ermdungsfestigkeit fhrt. Dem
stehen eine verringerte Korrosionsbestn-
digkeit, hhere Werkstoffkosten sowie derzustzliche Wrmebehandlungsprozess in
der Fertigungsfolge gegenber.
2.6 | Balgwerkstoffe2.6 | Balgwerkstoffe
Bild 2.6.2.: 50%-Whlerlinien bei Raumtemperatur fr Metallblge aus austenitischem Edelstahl,
aus Nickelbasislegierungen und aus aushrtbarem Edelstahl im Vergleich.
aushrtbare Edelsthle
Lastspielzahl N
SchdigungsparameterP
(MPa)
Ni-Basis-Legierungen
austenitischeEdelsthle
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ber die Balgborde erfolgt die Verbindung
der Blge mit ihren Anschlussteilen. DieseVerbindung muss hinsichtlich Dichtheit,
Temperatur- und Medienbestndigkeit,
Druckfestigkeit und Lebensdauer den
gleichen Anforderungen gengen wie der
Balg. Daher ist eine sorgfltige Auswahl
und Ausfhrung der Verbindung notwen-
dig. Sie richtet sich primr nach der Verbin-
dungsart und der Belastung des Balges.Folgende Standardborde stehen zur Ver-
fgung:
Blge ohne mahaltig bearbeiteten Bord
Blge mit diesen Enden sind in allen Typen
kurzfristig lieferbar.
2.7 | Borde und Anschlussteile 2.7 | Borde und Anschlussteile
Bild 2.7.1.: Balg in der Innenkrempe abgeschnitten (links) und in der Auenkrempe abgeschnitten (rechts)
B-Bord
Diese Bordform ist einfach und wirtschaft-
lich durch Stanzen oder Drehen aus einer
Balgwelle herstellbar. Die Anschlussteil-
geometrien sind einfach. Der B-Bord ist
fr Laser-, Mikro-Plasma- oder Lichtbo-
genschweiung geeignet. Blge mit bis1 mm Gesamtwandstrke werden ohne,
Blge mit grerer Gesamtwandstrke mit
Zusatzwerkstoff verschweit.
Nachteilig am B-Bord ist die Kerbwirkung
der Rundnaht und ihre Positionierung in
einer mechanisch belasteten Zone. Daher
sollte auf diese Anbindung verzichtet wer-
den, wenn groe Lastspielzahlen gefordert
sind oder wenn eine (pulsierende) Innen-
druckbelastung vorliegt. Fr Ventilspindel-
blge mit hoher Auendruckbelastung ist
die B-Naht dagegen gut geeignet, da hierder Auendruck eine kerbschlieende und
damit lebensdauererhhende Wirkung hat.
Weitere Vorteile des B-Bordes sind die
geringe Baulnge und die auf der Balg-
auenseite spaltfreie Verbindung zwischen
Balg und Anschlussteil. Letztere wird be-
sonders fr Balganwendungen in der Le-
bensmittelindustrie und in der Vakuum-
technik bentigt.
S-Bord / Ja-Bord
Der S-Bord wird durch Rollen aus einer
Balgwelle geformt. Die Schweinaht ist
hier so positioniert, dass nur sehr geringe
mechanische Spannungen auftreten. Die
S-Bord-Anbindung empfiehlt sich daherfr dynamisch hoch belastete Teile. Die
Bordform ist fr Schwei-, Lt- und Klebe-
verbindungen geeignet.
Die Gestaltung der Anschlussteile ist auf-
wndiger als fr den B-Bord, da der Balg
fr eine qualitativ hochwertige Schwei-
ung nahezu spaltfrei auf das Anschluss-
teil gefgt werden muss. Fr Klebe- oder
Ltverbindungen sollte das Anschlussteil
Bild 2.7.2.: Metallbalg mit B-Bord und Anschlussteil
perfekte
Passform
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
15/128
27
mit einer dem Bord entsprechenden Nut
versehen werden (vgl. auch Bild 2.7.1.).
Fr grere Serien kann der S-Bord hyd-
raulisch durch Aufweiten eines J-Bordes
(Ja-Bord) gefertigt werden.
J-Bord
Der J-Bord ist ein einfach herstellbarer
zylindrischer Bord mit dem Durchmesser
des Ausgangsrohres. Wie der S-Bord ist er
fr Schwei-, Lt- und Klebeverbindungen
geeignet. Die J-Bord-Anbindung kann
spaltfrei ausgefhrt werden und wirdhufig fr Vakuumventile verwendet.
Das spaltfreie Fgen des J-Bordes an
das Anschlussteil ist aufwndiger als das
Aufpressen eines S-Bordes, daher ist die-
se Bordform fr Groserien nur bedingt
geeignet.
V-Bord
Der V-Bord ermglicht das lsbare Ver-
binden von Blgen mit Rohren oder
von Blgen untereinander mit Hilfe von
V-Bord-Schellen. Diese Verbindung wird
auch fr Hochtemperaturanwendungen
z.B. in Abgasleitungen von Gromotoreneingesetzt. Der V-Bord ist ein Sonderbord,
dessen Herstellung ein spezielles Bord-
werkzeug erfordert.
Anschlussteilgeometrie
Die Anschlussteilgeometrie muss im Fge-
bereich an die gewhlte Bordform und das
entsprechende Fgeverfahren angepasst
werden. Bei thermischen Fgeverfahren
ist auf einen gleichmigen Wrmeein-trag in den dnnwandigen Balg und das
dickwandige Anschlussteil zu achten.
Dazu dienen u.a. Schweilippen. Das sind
gezielte Querschnittsverminderungen am
Anschlussteil, die den Wrmeabfluss aus
der Schweizone verringern.
Vor- und Nachteile der einzelnen Bord-
formen sind in Tabelle 2.7.1. gegenber-
gestellt. Die bevorzugten Anschlussteil-
geometrien und -abmessungen fr die
Standardborde von HYDRA-Metall- undMembranblgen sind im Abschnitt 6 auf-
gefhrt.
Bild 2.7.3.: Metallbalg mit S-Bord und Anschlusstei l
Bild 2.7.5. Metallbalg mit V-Bord, V-Bord-Schelle und
Anschlussteil
Bild 2.7.4.: Metallbalg mit J-Bord und Anschlussteil ohne (links) und mit Stirnring (rechts)
2.7 | Borde und Anschlussteile2.7 | Borde und Anschlussteile
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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28 29
B-Bord Ja- / S-Bord J-Bord V-Bord
Herstellbarkeit bei
dnnwandigen Blgen ++ + ++ 1)
dickwandigen Blgen ++ 1) + 1)
Ermdungsfestigkeit + ++ ++ +
Druckfestigkeit unter
Innendruck + ++ ++ 2)
Auendruck ++ ++ + 2)
Dichtheit ++ ++ ++ 2)
Lsbarkeit ++ 2)
Eignung zum
Schweien ++ ++ +
Lten ++ ++
Kleben ++ ++
Klemmen ++
Tabelle 2.7.1.1) Sonderwerkzeug erforderlich
2) Klemmverbindung
2.7 | Borde und Anschlussteile
Blge und Anschlussteile aus Sthlen,
Edelsthlen, Nickel oder Ni-Basis-Legierun-gen, Titan oder aus entsprechenden Mate-
rialkombinationen werden in der Regel
durch Schweien verbunden. Diese
Technik stellt bei sachgemer Schwei-
nahtvorbereitung und geeigneter konst-
ruktiver Gestaltung der Schweilippe die
optimale Integration des Balges in sein
Funktionssystem dar. Fr gngige Werk-
stoffkombinationen liegen TV-Schwei-
verfahrensprfungen in Anlehnung an das
AD-Merkblatt H1 vor.
Bei Witzenmann verfgbare Schweiver-
fahren sind das Lichtbogenschweien mit
und ohne Zusatzwerkstoff, das Mikro-Plas-
ma-Schweien, das Elektrowiderstands-
schweien sowie kontinuierliche und
gepulste Laserschweiverfahren. Letztere
bieten sich besonders an, um Rundnhte
mit geringem Wrmeeintrag anlauffarben-
frei zu verschweien. Ein weiterer Vorteil
des Laserschweiens ist die geringe Ge-
fgebeeinflussung der Grundmaterialienaufgrund der lokalen sehr begrenzten
Wrmeeinbringung. Allerdings erfordert
die Laserschweiung einen hheren
Aufwand an mechanischer Vorbereitung
der Fgestelle und feinere Toleranzen der
Anschlussteile.
Beim Schweien hat die Werkstoffkombi-
nation Balg / Anschlussteil einen wesent-
lichen Einfluss auf die Gte der Schwei-
naht. Optimale Schweiergebnisse werden
bei der Verwendung von Ti-stabilisiertenEdelsthlen 1.4541 oder 1.4571 als An-
schlussteilwerkstoffe erreicht. Dies gi lt
sowohl fr Blge aus den austenitischen
Edelsthlen 1.4541 oder 1.4571 als auch fr
Blge aus Ni-Basis-Legierungen, wie z.B.
2.4819 (Hastelloy C 276) oder 2.4856 (Inco-
nel 625). Ebenfalls gut verschweibar sind
Blge aus 1.4541 oder 1.4571 mit Anschluss-
teilen aus den Edelsthlen 1.4306, 1.4307
100 %
Perfektion
2.8 | Verbindungstechniken
Vor- und Nachteile der einzelnen Bordformen
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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30 31
oder aus unlegierten Qualittssthlen,
z.B. 1.0305. Schlechter schweibar ist
die Werkstoffkombination 1.4404 / 1.4404
aufgrund der Heirissneigung bei nicht
primrferritischer Erstarrung.
Fr Buntmetallblge oder -anschlussteile
ist Lten das meistgenutzte Verbindungs-verfahren. Anwendungsbeispiele sind
Schaltblge fr Hochstromanlagen oder
Aktuatorblge fr Thermostatventile an
Heizkrpern. Bei Bronzeblgen ist die
Weichltung mit bl ichem Zinnlot die
gebruchlichste Befestigungsart. Darber
hinaus gibt es Spezialweichlote fr den
Temperaturbereich bis ca. 220 C. Um ein
Ausglhen der Balgenden beim Lten mit
offener Flamme zu vermeiden, empfehlen
wir die Nutltung. Von einer Hartltung
wird bei Buntmetallblgen abgeraten, dadie hohe Lttemperatur die Endwellen
ausglht und damit die Lebensdauer stark
reduziert. Dagegen knnen Edelstahlbl-
ge mit gngigen CuAg-Loten hartgeltet
werden.
Voraussetzung fr alle Ltverfahren ist
eine gute Benetzung des Balges mit dem
Lot, was eine hohe Sauberkeit der Balg-
oberflche erfordert.
Zur Vermeidung von Ltkorrosionen sind
Ltdmpfe (Flumittelreste), die sich
besonders im Balginnern niederschlagen,
nach dem Lten unbedingt zu entfernen.
Klebe- oder kraftschlssige Verbindungen
sind von untergeordneter Bedeutung.
Erwhnenswert ist hier die kostengnstigeBrdelverbindung von Blgen mit losen,
d.h. drehbaren Flanschen.
Bild 2.8.1.: Beispiel einer Lt- oder Klebeverbindung
Bild 2.8.2.: Metallbalg mit drehbaren Flanschen und
Brdelbord
Das Qualittssicherungssystem bei Witzen-
mann gewhrleistet sowohl die Erfllungder hohen Qualittsanforderungen an
unsere Produkte als auch ein Hchstma
an Service-Qualitt fr unsere Kunden.
Unser Qualittssicherungssystem wird in
regelmigen Audits berprft.
Die Qualittssicherung ist in zwei Ebenen
organisiert. Die zentrale Qualittssicherung
ist mit den bergeordneten organisato-
rischen und technischen Manahmen
zur Qualittssicherung beauftragt. Die
Qualittsstellen unserer Produktbereichebernehmen Qualittsplanung, Qualitts-
lenkung und Qualittsprfung im Rahmen
der Auftragsabwicklung.
Die Abteilung Qualittssicherung ist orga-
nisatorisch von der Fertigung unabhngig.
Sie ist gegenber allen Mitarbeitern wei-
sungsbefugt, die qualittsbeeinflussende
Ttigkeiten ausben.
Genaue Kontrolle der Lieferanten
Wir arbeiten ausschlielich mit Lieferantenzusammen, mit denen wir eine Qualitts-
sicherungsvereinbarung abgeschlossen
haben, und die mindestens nach ISO 9001
zertifiziert sind.
Fr die Halbzeugformen Bnder, Bleche,
Rohre und Drhte fordern wir Prfbe-
scheinigungen, die sich nach dem Verwen-
dungszweck der Teile richten. Durch Ein-
gangskontrollen in Wareneingang und
Werkstofflabor wird sichergestellt, dass die
Zulieferungen unseren Bestell- und Abnah-mevorschriften entsprechen. Dabei sind die
nach DIN- bzw. anderen Werkstoffblttern
als zulssig angegebenen Streubereiche
fr unsere Werkstoffe oftmals zustzlich
eingeengt und przisiert.
2.9 | Qualittsmanagement2.8 | Verbindungstechniken
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
18/128
32 33
Fertigungsberwachung und
Rckverfolgbarkeit
Die Verantwortung fr Kontrolle und War-
tung der Fertigungseinrichtungen nimmt
die betriebliche Aufsicht im Fertigungspro-
zess wahr. Ebenso die ordnungsgem
durchgefhrte Fertigung nach den vorge-
gebenen Herstellunterlagen. ber unser
PPS-System und archivierte Fertigungspa-
piere ist eine vollstndige Rckverfolgbar-
keit unserer Produkte gegeben.
Fr smtliche Balg-Materialien besitzen
wir Abnahmeprfzeugnisse gem EN
10204 - 3.1.
Komplette berwachung
der Schweiverfahren
Schriftliche Anweisungen regeln die
Durchfhrung der Schweiarbeiten. Die
Qualifikation der Schweier wird durch
Prfungen nach EN 287-1 (EN ISO 9601-1) /
EN ISO 9606-4 sichergestellt. Die wich-
tigsten, hufig angewandten Schweiver-
fahren sind durch Verfahrensprfungen
belegt. Die Schweiaufsicht entspricht den
jeweiligen Anforderungen gem
AD-Merkblatt HP3.
berwachung
der Mess- und Prfeinrichtungen
Alle Mess- und Prfeinrichtungen werden
bezglich ihrer Genauigkeit und Zuver-
lssigkeit in regelmigen Intervallen
geprft. Der Zeitpunkt der Kalibrierungwird durch berwachungskennzeichen
festgehalten.
Abnahmeprfungen
Alle Produkte werden vor der Auslieferung
einer Ma- und Sichtprfung, d.h. einer
visuellen berprfung von Balg, Schwei-
nhten und Anschlussteilen sowie einer
Kontrolle der Einbau- und Anschlussmae
unterzogen.
Darber hinaus knnen Abnahmepr-
fungen gem Kundenanforderungen
erfolgen; z.B.
Dichtheitsprfungen,
Federratenmessungen,
Druckfestigkeitsprfungen bei
Raumtemperatur,
Druckfestigkeitsprfungen bei
Einsatztemperatur,
Lastspielprfungen im drucklosen
Zustand bei Raumtemperatur, Lastspielprfungen unter einsatznahen
Bedingungen.
Art und Umfang der Prfungen werden
gemeinsam mit dem Kunden abgestimmt.
Die Prfungen knnen von einem Ab-
nahmebevollmchtigten der Witzenmann
GmbH, von einem Bevollmchtigten des
Kunden oder auch von einer externen
zertifizierten Stelle berwacht werden.
Fr Serienteile erfolgen Requalifikations-
prfungen gem ISO TS 16949.
Prfbescheinigungen
Prfbescheinigungen fr das verwendete
Material knnen angefordert werden;
Bandmaterial, das normalerweise auf
Lager vorrtig ist, kann mit Prfbeschei-
nigung 3.1 oder auch 3.2 nach DIN EN
10204 besttigt werden.
Mgliche Bescheinigungen der durchge-
fhrten Prfungen sind in DIN EN 10204aufgefhrt (siehe Tabelle 2.9.1.)
2.9 | Qualittsmanagement 2.9 | Qualittsmanagement
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34 35
Bezeich-nung
Prf-bescheinigung
Typ Inhalt derBescheinigung
Bedingungen Besttigung derBescheinigung
2.1 Werks-bescheinigung
nichtspezifisch
Besttigung derbereinstimmungmit der Bestellung.
Gem Liefer-bedingungen in derBestellung oder falls gewnscht
gem. den amtlichenVorschriften u ndmitgeltenden techni-schen Regeln
durch den Hersteller
2.2 Werkszeugnis Besttigung der
bereinstimmungmit der Bestellungunter Angabevon ErgebnissennichtspezifischerPrfung.
3.1 Abnahmeprf-zeugnis 3.1
spezifisch Besttigung derbereinstimmungmit der Bestellungunter Angabe vonErgebnissen spezifi-scher Prfung.
durch den von derFertigungsabteilungunabhngigenAbnahmebeauf-tragten des Her-stellers.
3.2 Abnahmeprf-zeugnis 3.2
Besttigung derbereinstimmung
mit der Bestellungunter Angabe vonErgebnissen spezifi-scher Prfung.
Gem den amtli-chen Vorschriften
und mitgeltendentechnischen Regeln.
durch den von derFertigungsabteilung
unabhngigenAbnahmebeauf-tragten des Her-stellers und denvom BestellerbevollmchtigtenAbnahmebeauftrag-ten oder den in denamtlichen Vorschrif-ten ge-nannten Abnahme-beauftragten.
Tabelle 2.9.1.
Prfbescheinigungen nach DIN EN 10204
2.9 | Qualittsmanagement
Prfbescheinigungen nach DIN EN 10204
Witzenmann wurde 1994 als erstes Unter-
nehmen der Branche nach DIN ISO 9001zertifiziert. Heute verfgt die Witzenmann
GmbH ber die folgenden allgemeinen
Qualitts- und Umweltzertifikate:
ISO / TS 16949:2002
DIN EN ISO 9001:2000
ISO 14001:2004
EN 9100:2003
Druckgerterichtlinie
AD2000 Merkblatt W0/TRD100
AD2000 Merkblatt HP0 und
DIN EN 729-2 KTA 1401 und AVS D100/50
2.10 | Zertifizierungen und kundenspezifische Zulassungen
weltweit
fhrend
| f f | f f
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Schifffahrt
LRS
Lloyds Register of Shipping Grobritannien
Sonstige
BAM
Bundesanstalt fr Materialforschung und -prfung Deutschland
VDE
Verband der Elektrotechnik Elektronik
Informationstechnik e.V. Deutschland
VdS
Verband der Sachversicherer e.V. Deutschland
FM
Factory Mutual Research USA
LPCB Loss Prevention
Certification Board Grobritannien
RTN RosTechNadzor
Fderale Aufsichtsbehrde fr
kologie, Technologie und Atomtechnik Russland
36 37
2.10 | Zertifizierungen und kundenspezifische Zulassungen 2.10 | Zertifizierungen und kundenspezifische Zulassungen
Spezifische Zulassungen (Auswahl)
Gas/Wasser
DVGW
Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. Deutschland
VGW
sterreichische Vereinigung fr das Gas- u. Wasserfach sterreich
SVGW
Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches Schweiz
AFNOR
Gas Association Franaise de Normalisation Frankreich
Schifffahrt
GL
Germanischer Lloyd Deutschland
ABS
American Bureau of Shipping USA
BV
Bureau Veritas Frankreich
DNV
DET NORSKE VERITAS Norwegen
3 |T i h B l d
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38
3 |Typische Balganwendungen
39
3.1 | Ventilspindelblge 40
3.2 | Ventilspindelblge fr Kernkraftwerke 42
3.3 | Vakuumanwendungen 42
3.4 | Kompensatoren 43
3.5 | Solaranwendungen 44
3.6 | Gleitringdichtungen 46
3.7 | Sensoren und Aktoren 46
3.8 | Metallbalgspeicher 47
3.9 | Balgkupplungen 48
3.10 | Metallblge fr moderne PKW-Motoren 49
3 1 | Ventilspindelblge 3 1 | Ventilspindelblge
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41
Metallblge werden zur stopfbuchsenlosen
Abdichtung hochwertiger Ventile einge-
setzt. Absolute Dichtheit, hohe Druck-,
Temperatur- und Medienbestndigkeit
sowie Verschleifreiheit sind die Vorteile
dieser Ventilbauart. Der Metallbalg wird
hierbei als bewegliche, drucktragende
Dichtung verwendet und kompensiert die
Relativbewegung zwischen Ventilteller und
Ventilgehuse beim ffnen bzw. Schlieen
des Ventils (Bild 3.1.1. / 3.1.2.).
Ventilspindelblge sind i. d. Regel mehr-
lagig aufgebaut, um kurze Baulngen zu
erreichen. Die Druckbelastung wird dabei
auf mehrere dnne Lagen verteilt. Die
Balgwellen werden hauptschlich auf
Biegung beansprucht, so dass Wellen, die
aus vielen dnnen Lagen bestehen, gr-
ere Verformungen ertragen knnen als
solche, die aus einer oder wenigen dicken
mehrlagiger
Aufbau
3.1 | Ventilspindelblge 3.1 | Ventilspindelblge
Bild 3.1.1. / Bild 3.1.2.: Ventil mit Metallbalg zur Spindelabdichtung
Lagen aufgebaut sind (vgl. Bild 3.1.3.).
Dementsprechend erhht sich die zulssi-
ge Bewegung bei gleicher Baulnge und
Druckfestigkeit mit zunehmender Lagen-
zahl und abnehmender Einzellagendicke.
Der Balgwerkstoff wird durch das Umge-
bungsmedium und die Einsatztemperatur
bestimmt. Bis zu Temperaturen von 550 C
wird vorzugsweise der austenitische Edel-
stahl 1.4571 verwendet. Bei hheren Tem-
peraturen oder sehr aggressiven Medien
stehen Ni-Basis-Legierungen, z.B. 2.4819
(Hastelloy C276) oder 2.4856 (Inconel 625),
zur Verfgung. Neben der erhhten Kor-
rosionsbestndigkeit haben Nickelbasis-
legierungen auch hhere Festigkeits- und
Warmfestigkeitskennwerte als austeniti-
sche Edelsthle, sie sind also druck- und
temperaturbestndiger.
Der Lagenaufbau des Balges (Lagenzahl
und Einzellagendicke) richtet sich nach
dem Betriebsdruck. Um ein Ausknicken des
Balges zu vermeiden, sollten Ventilspindel-
blge stets mit Auendruck beaufschlagt
werden.
Die Wellenzahl und damit die Baulnge
des Balges richten sich nach dem Hub und
der geforderten Lebensdauer. Eine typi-
sche Lastspielzahl fr Absperrventile sind
10.000 Bettigungen. Grere Lastspiel-
zahlen bei vermindertem Hub werden u.a.
von Blgen fr Regelventile gefordert.
Bild 3.1.3.: Spannungsverteilung am ein- bzw. zweilagigen Biegebalken
ep ep/2
ep/2
40
3 2 | Ventilspindelblge fr Kernkraftwerke 3 3 | Vakuumanwendungen
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42
Ventilspindelblge fr Kernkraftwerke wer-
den nach den gleichen technischen Ausle-
gungskriterien dimensioniert wie konven-
tionelle Ventilspindelblge. Meist werden
jedoch nur 85% der zulssigen Druckfestig-
keit ausgenutzt. Dokumentation und Pr-
fungen sind hier in erhhtem Umfang not-
wendig. Sie werden im Einzelfall durch die
die Regeln des Kerntechnischen Ausschus-
ses (KTA) und die jeweiligen Spezifikatio-
nen der Kernkraftwerksbetreiber bestimmt
und richten sich nach der Anforderungsstu-
fe, in welche der Balg klassifiziert wurde.
Typische Anforderungen sind:
Prfung und Besttigung der Berechnung
von Druckfestigkeit und Lebensdauer
des Balges durch einen unabhngigen
Abnahmebeauftragten,
Zertifizierung von Werkstoff und Herstell-
verfahren gem KTA, EN 9001
und AD 2000; das umfasst auch spezielle
Zulassungen fr Schweiverfahren und
Schweipersonal,
Zugversuche, Warmzugversuche,
Korngrenbestimmung und Prfungen
der Korrosionsbestndigkeit des Bandes,
Rntgen- und Oberflchenrissprfungen
an Schweinhten sowie Dichtheitsprfung, Druck und Lastspiel-
prfungen an Blgen.
3.2 | Ventilspindelblge fr Kernkraftwerke 3.3 | Vakuumanwendungen
Auch in der Vakuumtechnik werden hufig
Metallblge als bewegliche Dichtelemente
verwendet. Haupteinsatzgebiete sind Spin-
delabdichtungen in Vakuumventilen sowie
die Abdichtung von Vakuumschaltern (vgl.
Bild 3.3.1.). Diese werden im Mittelspan-
nungsbereich, also in Netzen von ungefhr
1 kV bis 72 kV eingesetzt. Sie schalten durch
die mechanisch angetriebene Trennung
zweier Kupferkontakte in luftleerer Umge-
bung den Strom ab und sind fr sehr groe
Schalthufigkeiten bei weitestgehender
Wartungsfreiheit ausgelegt.
Aufgrund der geringen Differenzdrckesind Vakuumblge einwandig und haben in
der Regel ein Balgprofil mit hoher Beweg-
lichkeit. Das bedeutet schmale und hohe
Wellen. Auslegungskriterien sind der gefor-
derte Hub und die zugehrige Lebensdauer,
die blicherweise zwischen 1.000.00 0 und
10.000.000 Lastwechseln betrgt. Oftmals
ist auch eine geringe Federrate des Balges
gefordert, um hohe Schaltgeschwindigkeiten
erreichen zu kn-
nen. Blge fr Vaku-
umventile werden
mit ihren Anschluss-
teilen verschweit.
Fr einen sicheren
Evakuiervorgang
ist eine spaltfreie
Ausfhrung der
Schweinhte vor-
teilhaft, bevorzugtkommen daher
J- oder B-Borde zur Anwendung.
Blge fr Hochstromschalter werden in die
Anschlussteile eingeltet. Voraussetzung fr
einen prozesssicheren Ltvorgang ist eine
von Oxiden und organischen Rckstnden
freie Oberflche des Balges, so dass ent-
sprechende Reinigungsprozesse in den Fer-
tigungsablauf integriert werden mssen.
Bild 3.3.1.: Hochstrom-
schalter mit Metallbalg-
abdichtung
43
absolut
sicher
absolut
dicht
3 4 | Kleinkompensatoren 3 5 | Solaranwendungen
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44 45
Kompensatoren werden zum Ausgleich von
thermischen Dehnungen und Montage-
verstzen in Rohrleitungssystemen sowie
zur Aufnahme von Leitungsbewegungen
verwendet. Kernstck eines jeden Kompen-
sators ist der Metallbalg, der Flexibilitt,
Dichtheit und Druckfestigkeit gewhrleistet.
Die Hauptbelastung von Kompensatoren
im Anlagenbau resultiert aus dem An- und
Abfahren der Anlagen. Daher betrgt die
geforderte Lebensdauer in der Regel nur
1.000 Lastwechsel. Wesentlich hhere Last-
spielzahlen werden dagegen von Kompen-
satoren gefordert, die zum Ausgleich ther-mischer Dehnungen in Abgasanlagen von
Gromotoren eingesetzt werden. Neben
den Start- /Stopp-Vorgngen tritt hier in der
Regel eine Schwingungsbelastung auf, die
dauerfest ertragen werden muss.
Fr kleine Nennweiten und/oder geringe
Drcke knnen Axialkompensatoren ver-
wendet werden. Eine typische Bauform
ein Balg mit zwei durch Winkelringe befes-
tigten drehbaren Flanschen ist in Bild
3.4.1. gezeigt. Blge mit Schweienden
werden auch oft als Kompensatoren ein-
gesetzt. Ein Beispiel dafr ist in Bild 2.1.1.
dargestellt. Fr grere Nennweiten bzw.
bei hohen Betriebsdrcken werden Kom-
pensatorbauformen bevorzugt, die Druckre-
aktionskrfte aufnehmen knnen. Das sind
Gelenk- oder druckentlastete Kompensa-
toren. Umfassende Informationen hierzu
sowie unser Kompensatoren-Produktspekt-
rum enthlt das Witzenmann Handbuch der
Kompensatorentechnik.
3.4 | Kleinkompensatoren
Bild 3.4.1.: Axialkompensator mit drehbaren Flanschen
3.5 | Solaranwendungen
Die Solarthermie gewinnt zur Energie-
gewinnung zunehmend an Bedeutung;
sowohl im industriellen Mastab in Solar-
kraftwerken als auch in der Gebudetech-
nik. Die Kombination von Werkstoffen mit
unterschiedlichen Wrmeausdehnungsko-
effizienten fhrt bei allen solarthermischen
Anlagen zu thermischen Dehnungen, die
ausgeglichen werden mssen. In Flssig-
keitskreislufen wird dies durch Metall-
blge realisiert.
innovative
Verbindungen
universell
einsetzbar
3.5 | Solaranwendungen 3.6 | Gleitringdichtungen
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46 47
3.5 | Solaranwendungen
Bild 3.5.1.: Kollektorverbinder zum Aufstecken auf
Cu-Rohre fr die Gebudetechnik
3.6 | Gleitringdichtungen
Gleitringdichtungen sind dynamische Dich-
tungen fr rotierende Wellen. Hauptkom-
ponenten sind der befederte Gleitring und
ein Gegenring, deren Gleitflchen durch
Federkraft aneinander gedrckt werden.
Einer der Ringe rotiert mit der Welle, wh-
ren der andere starr am Gehuse montiert
ist. Durch Eintritt des gefrderten Mediums
in den minimalen Dichtspalt zwischen
den Gleitflchen wird ein Schmierfilm
erzeugt und der Abdichteffekt erreicht. Als
Gleitwerkstoffe werden Graphit, kunst-
harzgebundener Kohlenstoff, Metall oder
Keramik verwendet.Fr das Anpressen der Gleitringe sowie
die Sekundrabdichtung zwischen Gleit-
ring und Welle bzw. Gleitring und Gehuse
werden in hochwertigen Gleitringdichtun-
gen Metallblge oder Membranblge ver-
wendet. Letztere aufgrund ihrer geringe-
ren Baulnge. Bild 3.6.1. zeigt bespielhaft
einen Gleitringtrger mit einem HYDRA-
Membranbalg.
Blge fr Gleitringdichtungen mssen
druck- und temperaturfest sowie bestndig
gegen das zu frdernde Medium sein.
Auerdem darf die Vorspannkraft der Gleit-
ringdichtung whrend des Betriebs nicht
relaxieren. Hufig werden daher aushrt-
bare Balgwerkstoffe verwendet. Typische
aushrtbare Werkstoffe fr HYDRA-Mem-
branblge sind AM 350 oder bei hheren
Anforderungen an die Korrosionsbestn-
digkeit Inconel 718 (2.4668).
Bild 3.6.1.: Gleitringtrger mit HYDRA-Membranbalg
Als Beispiele seien Kollektorrohre fr
Solarkraftwerke oder Kollektorverbinder
fr die Gebudetechnik genannt. Kollektor-
rohre sind das Kernstck von Parabolrin-
nenkraftwerken. Sie sind in der Brennlinie
der Parabolspiegel angeordnet und wer-
den von Thermol durchstrmt, das durch
die Sonnenstrahlung erhitzt wird. Das
erhitzte Thermol wird anschlieend zur
Dampferzeugung fr ein konventionelles
Kraftwerk verwendet. Der Kollektor selbst
besteht aus einem ueren Hllrohr aus
beschichtetem, hochtransparentem Borosi-
likatglas, und einem inneren Absorberrohr
aus speziell beschichtetem Stahl. Der Zwi-
schenraum ist zur Vermeidung von Wrme-
verlusten evakuiert. Metallblge an beiden
Enden der Kollektoren gleichen die unter-
schiedlichen Wrmedehnungen von Glas
und Stahl aus und sorgen fr eine vaku-
umdichte Verbindung beider Rohre. Auch
in Solarkollektorfeldern in der Gebude-
technik mssen thermische Dehnungen an
den Verbindungsstellen der einzelnen Kol-
lektoren ausgeglichen werden. Dazu wer-
den flexible Kollektorverbinder verwendet.
Bild 3.5.1. zeigt eine Metallbalgausfhrung
zum Aufstecken auf die Cu-Verrohrung der
Kollektoren. An den Enden des Balges sind
hydraulisch geformte O-Ring-Nuten und
Brdel zur Befestigung integriert.
flexibel
dichtend
3.7 | Sensoren und Aktoren 3.7 | Sensoren und Aktoren
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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48 49
hnlich einem Kolben wandeln Metallblge
Druck in Kraft oder Bewegung um und
umgekehrt. Damit knnen sie als Sensoren
und Aktoren verwendet werden, deren
Kennlinie durch Federrate und hydrau-
lischen Querschnitt des Balges definiert
wird.
Hauptanforderungen an Sensoren und
Aktoren sind Hysteresefreiheit und Kons-
tanz der Kennlinie, so dass auch hier
aushrtbare Balgwerkstoffe vorteilhaft
eingesetzt werden knnen.
|
Beispiele sind der in Bild 3.7.1. gezeigte
Druck-Kraft-Wandler zur Feinjustage von
optischen Systemen oder Sensoren fr
gasisolierte Schaltschrnke. Diese Schalt-
schrnke sind mit SF6unter berdruck
befllt. Im Falle einer Leckage verringert
sich der Druck im Inneren des Schalt-schranks. Als Sensor fr den Druck im
Schaltschrank wird ein gasbefllter, herme-
tisch dichter Metallbalg verwendet.
Seine Lnge stellt sich stets so ein, dass
ein Krftegleichgewicht aus Federkraft
des Balges und den Druckkrften aus dem
Balginnendruck und dem Druck im Schalt-
schrank entsteht. Ein Abfall des Schalt-
schrankdruckes fhrt zur Vergrerung der
Balglnge und kann so detektiert werden.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel fr einen
Metallbalgaktor sind Regler fr Heizkrper-
thermostate (Bild 3.7.2.). Dazu werden mit
Alkohol gefllte Bronzeblge verwendet.
Mit steigender Temperatur dehnt sich der
im Balg eingeschlossene Alkohol aus und
verlngert den Balg in axialer Richtung. Die
Verlngerung des Balges wird zum Dros-
seln des Ventils verwendet und die Leis-
tung des Heizkrpers sinkt ab. Verringert
sich die Raumtemperatur, verkrzt sich derBalg wieder. Dadurch wird das Regelventil
weiter geffnet und die Heizleistung steigt
wieder an.
Bild 3.7.1.: Metallbalgaktor
|
hysterese-
frei
Bild 3.7.2.: Bronzeblge fr Heizkrperthermostate
3.8 | Metallbalgspeicher 3.9 | Metallbalgkupplungen
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
27/128
50 51
Gasgeladene Speicher werden als Ener-
giespeicher in hydraulischen Systemen
verwendet. Sie bestehen aus einem Gas-
und einem Flssigkeitsraum, die durch
eine flexible Membran voneinander ge-
trennt sind. Je mehr Flssigkeit in den
Speicher gefrdert wird, umso strker wird
das Gasvolumen komprimiert und der
Speicherdruck erhht sich. Alternativ kann
Flssigkeit entnommen werden und der
Speicherdruck verringert sich.
Als Medientrenner werden oft mehrlagige
Membranen oder Blasen aus Kunststoff
verwendet. Allerdings sind diese nicht voll-stndig diffusionsdicht und unterliegen der
Alterung. Wenn wie z.B. in Bremssystemen
eine Diffusion des Speichergases in die
Arbeitsflssigkeit nicht zulssig ist oder die
Wartungsfreiheit des Speichers ber einen
langen Zeitraum garantiert werden muss,
kann die Kunststoffmembran durch einen
Metall- oder Membranbalg ersetzt werden.
Um groe Arbeitsvolumina zu ermgli-
chen, sind Speicherblge dnnwandig,
hoch flexibel und haben eine geringe
Druckfestigkeit. Dies ist whrend des
Speicherbetriebes unkritisch, da zwischen
Gas und Flssigkeit nur die aus der Feder-
rate des Balges resultierende Druckdif-
ferenz herrscht. Um den Metallbalg vor
Beschdigungen zu schtzen, ist darauf
zu achten, dass
durch geeignete
Ventile eine
vollstndige
Entleerung des
Metallbalgspei-chers vermieden
und dadurch das
Druckgleichge-
wicht zwischen
Gas- und Flssig-
keitsseite stets
aufrecht erhalten
wird.
| g
Bild 3.8.1.: Schnittmodell eines Metallbalgspeichers
| g g
Metallblge sind torsionssteif und gleich-
zeitig biegeweich. Damit bietet sich ihr
Einsatz als wartungsfreie Wellenkupplung
(Bild 3.9.1.) zur Drehmomentbertragung
und zum Ausgleich von Lagetoleranzen
an. Metallbalgkupplungen werden auf
Torsion und auf Umlaufbiegung belastet.
Fr letztere ist eine dauerfeste Auslegung
erforderlich.
Um hohe Drehmomente bertragen zu
knnen und ein Torsionsknicken sicher zu
vermeiden, sind Kupplungsblge oftmals
kurz und haben einen mglichst groen
Durchmesser. Bild 3.9.1.: Metallbalgkupplung
diffusions-
dichtwartungsfrei
3.10 |Metallblge fr moderne PKW-Motoren 3.10 | Metallblge fr moderne PKW-Motoren
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
28/128
52 53
Wesentliche Herausforderungen an zu-
knftige Verbrennungsmotoren sind die
Verringerung des Kraftstoffverbrauchs
durch Effizienzsteigerung sowie die Einhal-
tung der gesetzlich geforderten Emissions-
grenzwerte. Ein wichtiger Lsungsansatz
dafr ist das Downsizing der Motoren, d.h.
eine Verringerung des Hubraums bei glei-
cher Leistung. Mglich wird dies u.a. durch
Turboaufladung, Erhhung der Einspritz-
drcke, ein verbessertes Motormanage-
ment und strahlgefhrte Verbrennungs-
verfahren fr Ottomotoren.
In Piezo-Injektoren, Kraftstoffpumpen oder
Drucksensorglhkerzen fr solche moder-
nen Motoren haben sich HYDRA-Przisi-
onsblge als zuverlssige, hochflexible,
druck- und temperaturfeste Dichtungen
bewhrt.
Aufgrund kleinster Strmungsquerschnitte
und metallischer Dichtung sind Metallbl-
ge in Hochdruckkraftstoffsystemen hchs-
ten Sauberkeitsanforderungen unterwor-
fen, die durch eine Fertigung im Reinraum
erfllt werden.
Piezo-Injektor
Die strahlgefhrte Direkteinspritzung
verringert den Kraftstoffverbrauch von
Benzinmotoren bei gleicher oder erhhter
Motorleistung. Voraussetzung fr eine
strahlgefhrte Verbrennung sind eine
hochgenaue Dosierung und eine feine
Zerstubung des eingespritzten Kraftstoffs.Diese Anforderungen knnen mit schnell
schaltenden Piezo-Injektoren und Einspritz-
drcken grer als 200 bar erfllt werden.
Kernstck des Injektors ist ein Piezo-Aktu-
ator, der sich durch Anlegen einer elektri-
schen Spannung verlngert und damit die
Dsennadel ffnet.
Jeglicher Kontakt mit dem Kraftstoff wr-
de zum Kurzschluss und zur Zerstrung
des Piezo-Aktuators fhren. Daher ist
eine Abdichtung notwendig, die sowohl
pulsierenden Drcken von bis zu 300 bar
widersteht als auch ber 300.000.000
Nadelbewegungen ermglicht. HYDRA-
Przisionsblge erfllen diese Anforderun-gen mit einer Komponentenausfallwahr-
scheinlichkeit kleiner als 1 ppm.
Bild 3.10.1.: Injektorbalg (Witzenmann) und
Piezo-Injektor (Continental Automotive GmbH)
temperatur-
und
korrosionsfest
3.10 | Metallblge fr moderne PKW-Motoren 3.10 | Metallblge fr moderne PKW-Motoren
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
29/128
54 55
Im Gegensatz zu konventionellen Glh-
kerzen ist bei Drucksensor-Glhkerzen
die Kerzenspitze beweglich gelagert. Die
durch den Brennraumdruck auf die Ker-
zenspitze wirkenden Krfte werden mit
einem piezoresistiven Sensor gemessen.
Ein HYDRA-Przisionsbalg ermglicht die
reibungs- und hysteresefreie bertragungdes Verbrennungsdruckes auf den Piezo-
Sensor. Auerdem gleicht er Wrmedeh-
nungen whrend des Glhbetriebs aus
und dichtet den Sensor und die Elektronik
gegenber dem Brennraum ab.
Neben Brennraumdruck und -temperatur
muss der Metallbalg in dieser Anwendung
eine hohe Schwingbelastung betriebsfest
ertragen. Ursache fr die Schwingbe-
lastung ist eine Resonanzanregung derbeweglich gelagerten Kerzenspitze durch
Motorvibrationen.
Kraftstoffpumpe
Zur Kraftstoffversorgung von direktein-
spritzenden Benzinmotoren bentigt man
Hochdruckpumpen. Solche Pumpen kn-nen als Ein- oder Mehrkolbenpumpen mit
lgeschmierten Kolben ausgefhrt werden.
Um eine Kontamination des Kraftstoffs mit
dem Pumpenl sicher zu vermeiden, wer-
den HYDRA-Przisionsblge verwendet. Je
Kolben fungiert ein Balg als hochflexible
Dichtung und bertragungselement fr die
Pumpbewegung. Die Blge werden dabei
berwiegend druckausgeglichen betrieben
und mssen whrend eines Fahrzeugle-
bens ber 12.000.000.000 Pumpbewegun-
gen ausfhren.
Drucksensor-Glhkerze
Um die gesetzlich geforderten Grenzwerte
fr NOx- und CO2-Emissionen einzuhalten,
ist eine verbesserte Regelung des Ver-
brennungsprozesses von Dieselmotoren
notwendig. Mit der in-situ-Messung des
Brennraumdrucks liefert die Drucksensor-
Glhkerze dafr ein wichtiges Eingangs-
signal. Neben der Verminderung der Emis-
sionen ermglicht die mit Hilfe Druck-sensor-Glhkerzen optimierte Motorsteu-
erung das Ausnutzen hherer Verbren-
nungsdrcke. Dies wird zur Leistungsstei-
gerung oder zum Downsizing der Motoren
genutzt.
Bild 3.10.2.: Pumpenbalg (Witzenmann) und Hoch-
druckkraftstoffpumpe (Continental Automotive GmbH)
Bild 3.10.3.: Metallbalg (Witzenmann) und
Drucksensorglhkerze (PSG, Beru AG)
4 | Balgberechnung und Balgeigenschaften
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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56 5756 57
4.1 | Festigkeitsnachweis fr Metallblge 58
4.2 | Lastspannungen 60
4.3 | Druckfestigkeit und Knickstabilitt 62
4.4 | Ermdungslebensdauer 67
4.5 | Angulare und laterale Verformung 71
4.6 | Torsion und Torsionsknicken 73
4.7 | Balgfederraten 75
4.8 | Druckreaktionskraft und hydraulischer Durchmesser 76
4.1 | Festigkeitsnachweis fr Metallblge4.1 | Festigkeitsnachweis fr Metallblge
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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58 59
Die wesentlichen Anforderungen an
Metallblge sind
(1) Medien- und Korrosionsbestndigkeit,
(2) Temperaturbestndigkeit,
(3) Dichtheit,
(4) Druckfestigkeit,
(5) Beweglichkeit und Lebensdauer.
Korrosions- und Temperaturbestndigkeit
knnen ber die Auswahl eines geeigneten
Balgwerkstoffes erreicht werden. Die Dicht-
heit der Blge wird durch den Produktions-
prozess gewhrleistet. Druckfestigkeit undLebensdauer werden dagegen ber ein
geeignetes Balgdesign sichergestellt und
knnen rechnerisch nachgewiesen werden.
Die prinzipielle Vorgehensweise beim Fes-
tigkeitsnachweis fr Metallblge zeigt Bild
4.1.1. Auf Basis der Balggeometrie und der
angreifenden Lasten das sind Druck, ggf.
Drehmoment und Verformung werden
die im Balg auftretenden Spannungenbestimmt. Aus diesen Spannungen knnen
geeignete Beanspruchungsparameter ab-
geleitet und mit der entsprechenden Be-
anspruchbarkeit des Bauteils verglichen
werden. Der Vergleich liefert die Sicher-
heitsfaktoren fr den jeweiligen Belas-
tungszustand.
Wesentlich fr einen zuverlssigen Festig-
keitsnachweis ist die genaue Kenntnis der
Beanspruchbarkeit des Bauteils.
Witzenmann steht dazu eine Datenbasisvon mehr als 1.300 Druckfestigkeitsprfun-
gen und ber 1.600 Lastspielprfungen,
von denen etwa 250 unter Betriebsdruck
und bei erhhter Temperatur durchgefhrt
wurden, zur Verfgung, die kontinuierlich
gepflegt und erweitert wird.
Spannungsberechnung und Festigkeits-
nachweis sind im Folgenden fr HYDRA-
Wellblge explizit dargestellt. Nach dem
gleichen Prinzip knnen aber auch HYDRA-
Membranblge, HYDRA-Membranscheiben
oder HYDRA-Dehnzellen ausgelegt werden.
Bild 4.1.1.: Prinzipelle Vorgehensweise beim rechnerischen Festigkeitsnachweis fr Metallblge
Auslegungs-
Know-howBetriebslasten
Bauteilgeometrie
LastspannungenSchdigungsparameter P
Beanspruchbarkeit B
Werkstoff
Herstellungsverfahren
Sicherheitsfaktor S = B / P
4.2 | Lastspannungen4.2 | Lastspannungen
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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60 61
Vernachlssigt man die gegenber den
Biegespannungen kleinen Membran-
spannungsanteile, gilt fr die Meridional-
spannungen aus axialer Bewegung():
(4.2.1.)
E ist der Elastizittsmodul des Balgwerk-
stoffes, s die Wanddicke der Einzellage, nw
die Wellenzahl und h die Wellenhhe. Cdist
ein dimensionsloser, von der Geometrie
der Balgwelle abhngiger Korrekturfaktor
(Anderson-Faktor).
Gleichung 4.2.1. zeigt, dass die zulssige
Bewegung einer Balgwelle (Beweglich-
keit) mit abnehmender Wanddicke (s) und
steigender Wellenhhe (h) zunimmt. Eine
Vergrerung der Wellenzahl (nw) erhht
die Beweglichkeit des Balges, da die Belas-
tung der Einzelwelle vermindert wird.
Daher werden fr hochflexible Blge oft
Schmalwellenprofile verwendet. Sie erlau-
ben es, die Wellenzahl in einem gegebenen
Bauraum zu maximieren.
Fr die Meridionalspannungen aus Druck
(p) gilt ebenfalls unter Vernachlssigung
der Membranspannungsanteile:
(4.2.2.)
nList dabei die Zahl Balglagen, CPwieder-
um ein dimensionsloser, geometrieabhn-
giger Korrekturfaktor (Anderson-Faktor).
Gem Gleichung 4.2.2. haben druckfeste
Profile eine groe Wanddicke (s) und/oder
Lagenzahl (nL) sowie eine geringe Wellen-
hhe (h).
Bild 4.2.1.: Meridionalspannungen an einem
zweiwandigen Metallbalg bei axialer Zug- (links)
und bei Auendruckbelastung (rechts)
Lastspannungen werden durch Druck
sowie Verschiebungen oder Verdrehungen
der Anschlussquerschnitte des Balges zuei-nander hervorgerufen. Im Folgenden wird
auf die aus Druck und axialer Verformung
resultierenden Spannungen eingegangen,
da diese fr Blge die wichtigsten
Belastungen sind. Laterale und angulare
Verformungen lassen sich in quivalente
axiale Verformungen umrechnen (Kap. 4.5),
Torsion wird in Kap. 4.6 separat behandelt.
Fr typische Balggeometrien sind die
grten Spannungen stets die Meridio-
nalspannungen. Sie sind in Lngsrichtungdes Balges, parallel zu dessen Oberflche
orientiert. Sowohl Druck als auch axiale
Bewegung fhren zu Biegespannungszu-
stnden mit ausgeprgten Spannungs-
maxima im Bereich der Krempen. Bild
4.2.1. zeigt dies beispielhaft fr einen zwei-
lagigen Metallbalg. Die Lage der Span-nungsmaxima stimmt mit den typischen
Risslagen von Ermdungsbrchen berein.
Da stets hnliche Spannungszustnde vor-
liegen, knnen die Spannungen aus Druck
und Bewegung fr eine Bewertung kombi-
nierter Lasten additiv berlagert werden.
h22 nL s2
Cp pB,meridional(p) 5 E s
3 nw h2
CdB,meridional()
optimierte
Geometrien
4.3 |Druckfestigkeit und Knickstabilitt4.3 | Druckfestigkeit und Knickstabilitt
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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62 63
Das durch die Verformung der Balgwellen
verdrngte Volumen wird in der in Bild
4.3.2. gezeigten Form als Funktion des
Druckes aufgetragen. Die so erhaltene
Druck-Volumen-Kurve entspricht einem
Spannungs-Dehnungs-Diagramm im Zug-
versuch und wird analog ausgewertet.
Der Nenndruck (PN) des Balges ist jener
Druck, der bei erstmaliger Belastung zu
einer bleibenden nderung des in den
Balgwellen eingeschlossenen Volumens
(Profilvolumens) um 1% fhrt.
Bild 4.3.1.: Wellenknickeneines Metallbalges unter
Auendruck
Bild 4.3.2.: Druck-Volumen-Kennlinie eines Metallbalges und Nenndruckbestimmung
nach der Witzenmann-Methode
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30nderung des Profilvolumens [%]
Druck[bar]
1% bleibende nderung des Profilvolumens
Kaltprfdruck pT = 1,3 PN
Nenndruck PN
Unter Auenberdruck versagen Metall-
blge in der Regel durch Wellenknicken
nach vorangegangener plastischer Verfor-mung der Innenkrempen (Bild 4.3.1.). Fr
Blge mit im Vergleich zum Durchmesser
sehr geringer Wellenhhe ist auch ein Ova-
lisieren unter Auendruck mglich. Bei den
in den technischen Tabellen aufgefhrten
Balgprofilen ist die Wellenhhe jedoch
stets so gro, dass diese Versagensart
nicht auftritt.
Die typische Versagensart bei Innendruck-
belastung ist das Sulenknicken (Bild
4.3.3.). Bei sehr kurzen Blgen kann unterInnendruck auch Wellenknicken auftreten,
bei flachen und dickwandigen Balgprofilen
ist ein Bersten mit Rissen parallel zur Balg-
achse mglich.
Die Druckfestigkeit von Metallblgen hngt
von der Fliegrenze des Balgwerkstoffes
ab, so dass durch Verwendung eines
hherfesten Werkstoffes bei gleichem Profil
eine Steigerung der Druckfestigkeit erreicht
werden kann.Mit zunehmender Temperatur nimmt die
Druckfestigkeit entsprechend der Vermin-
derung der Fliegrenze ab.
Plastisches Flieen und Wellenknicken
Bild 4.3.1. zeigt das Schadensbild fr Wel-
lenknicken. Der Schaden beginnt mit einer
plastischen Verformung der Innenkrempe
durch globales berschreiten der Flie-
grenze; anschlieend kollabiert das Profil.
Zur Vermeidung des Wellenknickens mussdaher eine ausreichende Sicherheit gegen
einsetzende globale plastische Verformung
an der Innenkrempe gewhrleistet werden.
Dieser Nachweis kann rechnerisch oder
experimentell erfolgen. Zur experimentel-
len Aufnahme einer Druck-Volumen-Kenn-
linie wird der Balg axial festgehalten und
mit steigendem Druck beaufschlagt.
F + E
4.3 |Druckfestigkeit und Knickstabilitt4.3 |Druckfestigkeit und Knickstabilitt
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
34/128
64 65
Der Nenndruck muss grer oder gleich
dem maximalen Betriebsdruck bei Raum-
temperatur (Kaltdruck (pRT)) sein. Bei
erhhten Betriebstemperaturen TS verrin-
gert sich der maximal zulssige Betriebs-
druck (PS) entsprechend der Verminderung
der Festigkeit des Balgwerkstoffes:
(4.3.1.)
Als Druckauslastung
(4.3.2.)
wird das Verhltnis von Kaltdruck zu Nenn-
druck bezeichnet.
Kurzzeitig kann ein Kaltprfdruck (pT) von
130% des Nenndrucks aufgebracht wer-
den. Hhere Kaltprfdrcke knnen das
Balgprofil beschdigen und sind daher
nicht zulssig.
Fr Anlagen, bei denen der Kaltprfdruck
130% des Betriebsdrucks bei Raumtempe-
ratur berschreitet, wird der Nenndruck
des Balges gem Gleichung 4.3.3. durch
Kaltprfdruck bestimmt. Er ist in diesem
Fall grer ist als der zulssige Betriebs-
druck bei Raumtemperatur.
(4.3.3.)
Bei Ventilen kann in diesem Fall auch ein
Balg verwendet werden, dessen Nenn-
druck dem maximalen Betriebsdruck bei
Raumtemperatur entspricht. Dann muss
die Druckprfung des Ventils bei ausge-
bautem Balg erfolgen.
Die rechnerischen Auslegungskriterien
zur Bestimmung des Nenndrucks von
Metallblgen sind die maximale Meri-
dionalspannung in den Balgkrempen
sowie eine ber das Balgprofil gemittelte
Umfangsspannung, wobei die Bedingun-
gen 4.3.4. und 4.3.5. erfllt werden ms-
sen. Cmbeschreibt dabei die Steigerung
der Werkstofffestigkeit gegenber dem am
Bandmaterial ermittelten Wert durch Ver-
festigung, Sttzwirkung und Spannungs-
umlagerungen.
(4.3.4.)
(4.3.5.)
Bei einer Balgauslegung nach Norm, z.B.
EJMA, AD2000, EN13445 oder EN14917,
werden jeweils die in der Norm angege-
benen Werte fr Cmverwendet. Diese wei-
chen voneinander ab und sind in der Regel
kleiner als der aus der experimentellen
Druckfestigkeitsbestimmung resultierende
Wert. Eine Ausnahme stellt der ASME-
Standard dar, der explizit eine experimen-
telle Druckfestigkeitsbestimmung erlaubt
(ASME 2007, Section II I, NB 3228.2) Das
dabei vorgeschlagene Verfahren (ASME
2007, Section III, II-1430) fhrt zu geringf-
gig hheren Nenndrcken als die Witzen-
mann-Methode.
Sulenknicken
Mit Ausnahme sehr kurzer Blge wird der
zulssige Innendruck von Metallblgen
durch beginnendes Sulenknicken (Bild4.3.3.) limitiert. Da der Knickdruck meist
deutlich geringer ist als die Druckfestigkeit
des Balgprofils, sollten Metallblge mit
einer Auendruckbelastung ausgelegt
werden.
Ist das nicht mglich, kann das Ausknicken
auch durch eine innere oder uere Fh-
rung der Balgwellen verhindert werden.
Das Sulenknicken von Blgen kann als
Euler-Knicken berechnet werden, wobei als
Knickkraft die Summe aus der Reaktions-
kraft des Balginnendruckes und Federkraft
des Balges wirksam wird. Fr den Knick-
druck gilt unter diesen Voraussetzungen:
(4.3.6.)
PS = pRTRP1,0(TS)
RP1,0(20 C)
RP1,0(20 C)RP1,0(TS)
pRTpN
PSpN
P= = 1
umRP1,0(T) / 1,5Rm(T) / 3
min
max meridional
RP1,0(T) / 1,5Rm(T) / 3
Cm min
cax
2 E2 (lf+ )
4 cax
dhyd2
pK= +
pT1,3
pN
4.3 |Druckfestigkeit und Knickstabilitt 4.4 | Ermdungslebensdauer
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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66 67
wobei dhydder hydraulisch wirksame
Durchmesser des Balges (vgl. Kap.4.7.)
und
(4.3.7.)
die flexible Balglnge sind. Fr den beid-
seitig fest eingespannten Balg gilt E= 0,5.
Die Absicherung gegen Knicken sollte mit
einem Sicherheitsfaktor S > 2,5 erfolgen.
Analog zur Federrate verringert sich der
Knickdruck mit zunehmender Temperatur.
Die Abnahme ist proportional zur Verringe-
rung des E-Moduls des Balgwerkstoffes.
Bersten
Dem Bersten von Blgen geht in der Regel
eine groe plastische Verformung voraus,
so dass die Berstsicherheit bereits durch
die Absicherung gegen plastisches Flieen
(Gl. 4.3.5.) gegeben ist. Fr Anwendungen,
bei denen ein Mindestberstdruck des Bal-
ges explizit gefordert wird, empfiehlt sichder Nachweis ber einen Berstversuch
unter betriebsnahen Einbaubedingungen.
Zweckmig ist die experimentelle Absi-
cherung des Berstdrucks auch bei der Ver-
wendung hochfester Werkstoffe mit einem
Streckgrenzenverhltnis RP01/Rmnahe 1.
nw lwlf=
Bild 4.3.3.: Sulenknicken eines Metallbalges unter
Innendruck (schematisch)
Der wesentliche, die Lebensdauer von
Blgen begrenzende Schdigungsmecha-
nismus ist die Ermdung unter zyklischerBelastung. Fr Blge kann eine zyklische
Belastung eine wiederkehrende Verfor-
mung, ein pulsierender Druck oder eine
Kombination aus beidem sein. Die durch
solche Belastungen hervorgerufenen
zeitlich wechselnden Spannungen fhren
zur Bildung und zum Wachstum von Erm-
dungsrissen im Werkstoff und schlielich
zum Versagen durch Ermdungsbrche.
Lediglich sehr hohe pulsierende Drcke
rufen ein anderes Schadensbild hervor
Versagen durch zyklisches Kriechen und
anschlieendes Wellenknicken. Fr Metall-
blge typisch sind in Umfangsrichtung
verlaufende Ermdungsbrche an der
Innenkrempe oder am bergang von der
Innenkrempe zur Flanke der Balgwelle.
Der Anriss befindet sich dabei stets auf
der strker gekrmmten Balgseite. Brche
an der Auenkrempe treten nur bei stark
unsymmetrischen Balgprofilen oder bei
einer charakteristischen Lastkombinationaus pulsierendem Druck und Bewegung
auf. Bild 4.4.1. auf Seite 68 zeigt auf der lin-
ken Seite Ermdungsbrche in den Innen-
krempen eines Balges. Im metallographi-
schen Schliff (rechts) ist der von der strker
gekrmmten Balgoberflche ausgehende
Rissfortschritt gut zu erkennen.
Rissentstehung und -ausbreitung sind
statistischen Einflussfaktoren unterworfen.
F + E
4.4 | Ermdungslebensdauer4.4 | Ermdungslebensdauer
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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68 69
Die Abhngigkeit der Ermdungslebens-
dauer von der Last wird mit Hilfe von Wh-
lerlinien beschrieben. Bild 4.4.2. zeigt die
Witzenmann-Whlerlinie fr Metallblge
aus austenitischem Stahl. Im Whlerdia-
gramm sind auch Prfergebnisse von
Metallblgen eingetragen. Diese ordnen
sich in einem statistischen Streuband umdie 50%-Whlerlinie an.
Neben der eigentlichen zyklischen Belas-
tung (wiederkehrende Verformung und/
oder pulsierender Druck) wird die Erm-
dungslebensdauer auch durch primre
und sekundre Mittelspannungen, durch
Eigenspannungen, die aus der Balgher-
stellung resultieren, durch Mikrosttzwir-
kung aufgrund von Spannungsgradienten,
durch die Druckauslastung oder durch
den Versagensmodus (Ermdungsbruch
aller Lagen oder Ermdungsbruch derdruckzugewandten Lagen und anschlie-
endes Wellenknicken unter berdruck)
beeinflusst. Die Lebensdauerberechnung
fr einen allgemeinen Lastfall kann auf
Anfrage bei Witzenmann erfolgen.
Bild 4.4.2.: Witzenmann Whlerlinie fr Metallblge aus austenitischem Edelstahl,
Prfungen, die mit einem Pfeil gekennzeichnet sind, wurden ohne Balgversagen abgebrochen
Bild 4.4.1: Ermdungsbruch an der Innenkrempe eines Metallbalges in der Draufsicht (links) und im
metallographischen Schliff (rechts)
4.4 | Ermdungslebensdauer 4.5 | Angulare und laterale Verformung
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
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70 71
Fr den Sonderfall des mit statischem
Druck belasteten Balges knnen die Last-
spielzahlen (N) als Funktion des Hubes ()
und der Druckauslastung (P) anhand derim Kapitel 6.1. angegebenen Tabellen ab-
geschtzt werden.
Werden Blge auf mehreren Lastniveausbeansprucht, kann eine Gesamtschdigung
oder eine schdigungsquivalente Last-
spielzahl fr den Einstufenversuch ber
eine Schadensakkumulationsrechnung
ermittelt werden. Dabei geht man davon
aus, dass sich die Schdigungen fr jedes
Lastniveau summieren. Eine Gesamtsch-
digung von 100% korreliert mit einer Aus-
fallwahrscheinlichkeit von 50%:
(4.4.3.)
Die Schadensakkumulation mit Last-
spielzahlen im Dauerfestigkeitsbereich
(N50% > 1 Mio.), die von der Whlerlinie frden Einstufenversuch abgeleitet werden,
ist nicht konservativ, da z.B. Vorschdigun-
gen durch groe Lasten nicht bercksich-
tigt werden.
Eine konservative Abschtzung liefert die
elementare Miner-Regel. Dabei werden die
Lastspielzahlen N50%auch fr den Dauer-
festigkeitsbereich mit Hilfe der verlnger-
ten Whlerlinie aus dem Zeitfestigkeitsbe-
reich bestimmt.
NgefordertN 50%Lastniveau
D =
Metallblge knnen auch senkrecht zur
Balgachse verformt werden. Die grund-
legenden Bewegungsformen eine nei-
gungsfreie Verschiebung der Balgenden
senkrecht zur Balgachse (laterale Verfor-
mung) bzw. eine Neigung und Verschie-bung der Balgenden bei konstanter Krm-
mung des Balges (angulare Verformung)
zeigt das Bild 4.5.1. Solche angularen
oder lateralen Verformungen treten z.B.
bei Kompensatoren hufig auf. Generell
kann eine beliebige, torsionsfreie Balgver-
formung als Kombination aus axialer (),
lateraler () und angularer () Verformung
dargestellt werden.
Unter Voraussetzung der elementaren
Biegetheorie knnen fr laterale () und
angulare Verformungen () quivalente
Axialauslenkungen (q) abgeleitet werden.
Das sind gedachte axiale Auslenkungen,
die zu gleichen Spannungen bzw. Last-spielzahlen fhren wie die ursprngliche
laterale oder angulare Auslenkung. Bei
Angularbelastung gilt:
(4.5.1.)
Bild 4.5.1.: Axiale, angulare und la terale Balgverformung
Dm2
q= a
axial angular lateral
Auslegungs-
Know-how
Auslegungs-
Know-how
4.5 | Angulare und laterale Verformung 4.6 | Torsion und Torsionsknicken
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
38/128
73
Und bei Lateralauslenkung gilt:
(4.5.2.)
Im Nenner von Gl. 4.5.2. ist die Wellenzahlenthalten, d.h. beim lateral belasteten
Balg verringert sich die quivalente Axial-
auslenkung mit zunehmender Wellenzahl.
Da die ertragbare axiale Verformung des
Balges ebenfalls proportional mit der Wel-
lenzahl zunimmt (Gl. 4.2.1.), ist die zulssi-
ge Lateralverformung nicht linear sondern
vom Quadrat der Wellenzahl abhngig.
Auch die Berechnung von zusammenge-
setzten Verformungen ist mglich. Dabei
sind die Vorzeichen der lateralen und angu-
laren Auslenkung zu beachten. Zudem ist
zu bercksichtigen, dass in der in Bild 4.5.1.
definierten Angularauslenkung stets eine Ver-
schiebung der Balgenden mit dem Betrag
(4.5.3.)
enthalten ist. Fr eine kombinierte Verfor-
mung, die durch eine Verschiebung () und
Neigung () der Balgenden zueinander
beschrieben wird, gilt daher:
(4.5.4.)
Diese Berechnungen gelten exakt fr lan-
ge, nicht druckbelastete Blge. Bei lateral
belasteten kurzen Blge (lf Dm) wirkt der
Querschub entlastend. Die quivalente
Axialauslenkung gem Gl. 4.5.4. stellt
dann eine konservative Abschtzung dar.
Hohe Auen- oder Innendruckbelastungen
(p > 0,25 pK) verndern besonders bei
angular ausgelenkten Blgen die Biege-
linie so, dass lokale Krmmungsmaximaauftreten. Diese knnen sich lebensdauer-
vermindernd auswirken. Eine exakte
Berechnung der Belastung fr solche
Lastflle geht ber den Umfang dieses
Taschenbuches hinaus, kann aber auf
Anfrage bei Witzenmann erfolgen.lf2
*= a
3Dmlf
3Dmnw lw
q= =
3Dmlf
Dmlf
3DmlF
q= =( *) 2Dma aMetallblge sind biegeweich und torsions-
steif. Daher sind sie als Kupplungsblge
gut zum bertragen von Drehmomenten(MT) und zum Ausgleich von Lagetoleran-
zen geeignet. Fr diesen Anwendungsfall
mssen neben der Lebensdauer unter
lateraler und/oder angularer Belastung
auch die statische Torsionsfestigkeit und
die Sicherheit gegen Torsionsknicken nach-
gewiesen werden. Der statische Nachweis
der Torsionsfestigkeit von Metallblgen
erfolgt mit Hilfe der kritischen Schubspan-
nungen. Diese treten an der Innenkrempe
auf und knnen gem
(4.6.1.)
bestimmt werden. Dabei ist dider Innen-
durchmesser des Balges. Mit Hilfe der
Schubspannungshypothese erhlt man
daraus den Sicherheitsfaktor SFgegen
plastische Verformung:
(4.6.2.)
Neben der Sicherheit gegen plastisches
Flieen muss auch die Sicherheit gegen
Torsionsknicken nachgewiesen werden.
Wird das kritische Torsionsmoment (MT,c)
berschritten, geht der Balg aus seinergeraden in eine schraubenlinienfrmig
gekrmmte Konfiguration ber. Fr das
kritische Torsionsknickmoment eines beid-
seitig fest eingespannten Balges gilt
(4.6.3.)
2MT (di+ nL s)2 nL s
=
RP 1,02
RP 1,0 (di+ nL s)2 nL s
4MTSF= =
1,12 cax D2mMT,C=
73
Auslegungs-
Know-how
4.6 |Torsion und Torsionsknicken 4.7 | Balgfederraten
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
39/128
74 75
Dmist der mittlere Balgdurchmesser,
d.h. der arithmetische Mittelwert aus
Balginnen- und -auendurchmesser.
Aus Gleichung 4.6.3. erhlt man eine
Sicherheit gegen Torsionsknicken von
(4.6.4.)
wobei gegen Knicken eine deutlich gr-
ere Sicherheit (SK 3) notwendig ist als
gegen plastisches Flieen (SF 1,3).
Da sich die axiale Federrate eines Balges
mit zunehmender Wellenzahl verringert,
nimmt auch das Torsionsknickmoment mit
zunehmender Wellenzahl bzw. Balglngeab. Daher sind Kupplungsblge in der
Regel sehr kurz und haben nur wenige
Wellen.
MT,cMT
1,12 caxD2mMT
SK= =
Eine wichtige Balgeigenschaft ist seine
Federrate unter axialer, angularer oder
lateraler Verformung.Die axiale Federrateeines Metallbalges
kann gem:
(4.7.1.)
berechnet werden. Cfist wiederum ein
dimensionsloser, von der Geometrie der
Balgwelle abhngiger, Korrekturfaktor
(Anderson-Faktor).Die Federrate ist in hherer Potenz von
Wanddicke (s) und Wellenhhe (h) abhn-
gig als die Spannungen (vgl. Gl. 4.2.1. und
4.2.2.) und reagiert auch sensibler auf klei-
ne Vernderungen der Balggeometrie. Aus
diesem Grunde ist die Federrate fr Stan-
dardblge auch mit einer Toleranz von
30% spezifiziert.
Aus der axialen Federrate lassen sich die
lateraleund die angulareBalgfederrate
ableiten:
(4.7.2.)
und
(4.7.3.)
Bei erhhten Temperaturen vermindert sich
die Balgfederrate proportional zum Elastizi-
ttsmodul des Balgwerkstoffes.
E
2 (1 2)
Dm s3
h3nLnw
1Cf
cax
32
Dmlf
clat= cax
2
D2m8
cang= cax
besser
durch Mehr-
lagigkeit
4.8 | Druckreaktionskraft und hydraulischer Durchmesser 4.8 | Druckreaktionskraft und hydraulischer Durchmesser
7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge
40/128
76 77
Anders als beim starren Rohr ergeben
sich beim Balg aufgrund seiner Flexibilitt
Druckreaktionskrfte, die auf die anschlie-enden Rohrleitungen bzw. Bauteile wir-
ken. Eine genaue Bestimmung des hydrau-
lischen Durchmessers (dhyd) des Balges ist
numerisch oder experimentell mglich. In
sehr guter Nherung kann jedoch der mitt-
lere Durchmesser (Dm) verwendet werden.
Fr den geschlossenen Balg betrgt die
Druckreaktionskraft
(4.8.1.)
Fr den Balg mit Anschlussteil hngen
Betrag und Richtung der Reaktionskraft
vom Verhltnis des druckbeaufschlagtenDurchmessers am Anschlussteil (DAT) zum
hydraulischen Durchmesser ab:
(4.8.2.)
Bild 4.