das handbuch der metallbaelge

7/24/2019 Das Handbuch Der Metallbaelge

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Witzenmann GmbH

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Das Handbuch der Metallblge

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Metallblge


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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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2.1 | 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.


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.


Bild 2.1.3.: Ungestauchtes (links) und gestauchtes Balgprofil (rechts)

Bild 2.1.2: Herstellung von Metallblgen im Simultanverfahren


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


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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


16/128

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


17/128

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


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


19/128

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


20/128

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


22/128

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


23/128

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


24/128

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


25/128

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


26/128

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


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


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


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


31/128

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


32/128

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


33/128

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


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


35/128

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


36/128

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


37/128

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


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


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


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.

das handbuch der metallbaelge

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