Dokumentation & Mathematische Herleitung

Herleitung der wirksamen Balgdruckfläche durch statische Integration

Diese Herleitung bestimmt die wirksame axiale Querschnittsfläche Agesamt eines Wellrohrkompensators (Balg) über das statische Momentengleichgewicht an der elastischen Wellenflanke. Dabei wird die kontinuierliche Lastverteilung der Innendruckkraft entlang des Radius exakt integriert.

Geometrischer Querschnitt der Balgwelle und das mechanische Ersatzmodell als zweiseitig gelagerter Balken
Abbildung 1: Geometrischer Querschnitt der Balgwelle und das mechanische Ersatzmodell als zweiseitig gelagerter Balken.

1. Mechanische Grundlage: Das Hebelprinzip (Momentengleichgewicht)

Der physikalische Schlüssel für diesen Ansatz liegt im Momentengleichgewicht an der Flanke. Legt man einen radialen Schnitt durch die elastische Wellenflanke, lässt sich diese mechanisch wie ein zweiseitig aufgelagerter Balken betrachten, der an zwei Punkten abgestützt ist:

Wirkt eine differentielle Druckkraft FDruck bei einem beliebigen Radius r, verteilt sich diese Kraft nach dem Hebelgesetz auf die beiden Auflager. Um den Lastanteil zu bestimmen, der an das Wellental (die Rohrleitung) abgegeben wird, bilden wir das Momentengleichgewicht um den Wellenberg (Drehpunkt bei R):

∑ MR = 0 ⇒ FWellental · ( R − ri ) − FDruck · ( R − r ) = 0

Daraus folgt unmittelbar der Übertragungsfaktor (Hebelarm-Verhältnis), der angibt, welcher Bruchteil einer bei Radius r angreifenden Druckkraft in die Rohrleitung fließt:

FWellental = FDruck · R−r R−ri

2. Kraftaufteilung an der Flanke (Differentielles Element)

Auf einem infinitesimal schmalen Kreisringelement der Flanke mit der Breite dr beim Radius r (wobei ri≤r≤R) beträgt die differentielle Ringfläche:

dA = 2π·r·dr

Die auf dieses Kreisringelement wirkende differentielle Druckkraft bei Innendruck p lautet:

dFDruck = p·dA = p·2π·r·dr

Nach dem in Abschnitt 1 hergeleiteten Hebelverhältnis wird nur ein Teil dieser Kraft auf das Wellental (den Rohranschluss) übertragen:

dFFlanke→Rohr = dFDruck · R−r R−ri = p·2π·r · R−r R−ri · dr

3. Aufstellen des bestimmten Integrals

Um den gesamten Kraftanteil der elastischen Flanke auf das Rohr zu erhalten, integrieren wir von r=ri bis r=R:

FFlanke→Rohr = p·2πR−ri ∫riR r·(R−r) dr

Teilt man die Kraft durch den Druck p, erhält man die wirksame Flankenfläche AFlanke:

AFlanke = FFlanke→Rohrp = 2πR−ri ∫riR (R·r−r2) dr

4. Berechnung der Stammfunktion und algebraische Vereinfachung

Die Stammfunktion des Integranden lautet:

∫ (R·r−r2) dr = [ R2r2 − 13r3 ]

Einsetzen der oberen Grenze r=R:

[…]R = R2R2 − 13R3 = R32 − R33 = R36

Einsetzen der unteren Grenze r=ri:

[…]ri = R2ri2 − 13ri3

Die Differenz (obere minus untere Grenze) auf gemeinsamen Nenner 6 gebracht:

I = R36 − (R2ri2−ri33) = R3−3Rri2+2ri3 6

Nun setzen wir dieses Integral in die Flächenformel ein:

AFlanke = 2πR−ri · R3−3Rri2+2ri3 6 = π3 · R3−3Rri2+2ri3 R−ri
Polynomdivision: Der Zähler enthält die Nullstelle R=ri. Führt man die Division durch den Nenner (R−ri) durch: (R3−3Rri2+2ri3) ÷ (R−ri) = R2+Rri−2ri2

Damit vereinfacht sich der Flankenanteil exakt zu:

AFlanke = π3 · ( R2 + Rri − 2ri2 )

5. Addition der Rohr-Zugbelastung zur Gesamtfläche

Zur Flankenkraft kommt die direkte axiale Druckkraft auf den freien Rohrquerschnitt im Wellental hinzu (Radius ri):

ARohr = π·ri2

Die wirksame Gesamtfläche Agesamt ist die Summe beider Flächenanteile:

Agesamt = ARohr + AFlanke = πri2 + π3 (R2+Rri−2ri2)

Ausmultiplizieren und Zusammenfassen:

Agesamt = π3 [ 3ri2 + R2 + Rri − 2ri2 ] = π3 ( R2 + Rri + ri2 )
Ergebnis nach Radien: Agesamt = π3 · (R2+Rri+ri2)

6. Transformation in die technischen Durchmesser

In der Ingenieurpraxis werden die Durchmesser verwendet: D=2R⇔R=D2 und di=2ri⇔ri=di2.

Agesamt = π3 [ (D2)2 + (D2)(di2) + (di2)2 ] = π3 · 14 ( D2 + Ddi + di2 )

Endergebnis der exakten statischen Herleitung:

Astatisch = π12 · ( D2 + D·di + di2 )

7. Fazit & Vergleich mit der EJMA-Norm

In gängigen Auslegungsnormen wie der EJMA (Expansion Joint Manufacturers Association) oder DIN EN 14917 wird die wirksame Fläche meist über den mittleren Durchmesser angenähert:

dm = D+di2 ⇒ AEJMA = π4dm2 = π16(D+di)2
Methode Berechnungsformel Charakteristik
Exakte statische Integration Astatisch=π12(D2+Ddi+di2) Exakte Berücksichtigung der Hebelwirkung und der mit dem Radius quadratisch anwachsenden Kreisringfläche.
EJMA / DIN EN 14917 AEJMA=π16(D+di)2 Ingenieurmäßige Näherung mit mittlerem Durchmesser. Nimmt vereinfachend eine lineare 50/50-Kraftaufteilung an.

Mathematischer Vergleich der beiden Methoden:

Bringt man beide Ausdrücke auf den gemeinsamen Hauptnenner 48, lässt sich die exakte Differenz bestimmen:

Astatisch = 4π48 (D2+Ddi+di2) = π48 (4D2+4Ddi+4di2) AEJMA = 3π48 (D+di)2 = π48 (3D2+6Ddi+3di2)

Die Differenz zwischen beiden Flächen lautet daher:

ΔA = Astatisch − AEJMA = π48 (D2−2Ddi+di2) = π48 (D−di)2
Beweis der permanenten Positivität: Da (D−di)2>0 für alle realen Balggeometrien gilt, ist: Astatisch > AEJMA mit ΔA = π48(D−di)2 = 13(Hdm)2·AEJMA

Physikalische Interpretation:

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