DE102004008523A1

DE102004008523A1 - Druckzylinder und Kolbenstange für Aktuatoren und Stoßdämpfer und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102004008523A1
Application number: DE102004008523A
Authority: DE
Inventors: Tähun Dipl.-Ing. Seung
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: DE102004008523B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckzylinder mit einer Mantelfläche, die ein metallisches Innenrohr, ein metallisches Außenrohr und einen zwischen Außen- und Innenrohr angeordneten Kern aus faserverstärktem Kunststoff aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Druckzylinders. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kolbenstange mit einem metallischen Zugrohr, einem metallischen Laufrohr und einem zwischen Zugrohr und Laufrohr angeordneten Kern aus faserverstärktem Kunststoff, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kolbenstange. Schließlich umfaßt die Erfindung einen Aktuator mit einem Aktuatorgehäuse bzw. einen Stoßdämpfer mit einem Gehäuse, die einen erfindungsgemäßen Druckzylinder umfassen, und einen Aktuator bzw. einen Stoßdämpfer, die eine erfindungsgemäße Kolbenstange umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckzylinder, der ein Kompositbauteil aus einer Schicht aus faserverstärktem Kunststoff und Metall umfaßt, und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kolbenstange und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung betrifft weiterhin Verwendungen für Aktuatoren oder Stoßdämpfer.
Unter anderem in der Fahrzeug-, Luft- und Raumfahrttechnik ist Gewichtsoptimierung zur Nutzlasterhöhung von großem Interesse und zentraler Bedeutung. Dies gilt z. B. für Hochdruckzylinder in pneumatischen oder hydraulischen Zylindern oder Stoßdämpfer. Bei den gängigen Hochdruckzylindern bzw. Stoßdämpfern in der konventionellen Bauweise wird in der Regel als Material Metall eingesetzt. Der Gewichtsoptimierung dieser Bauteile sind dabei Grenzen gesetzt. Zum Beispiel sind Zylinderröhre oder Kolbenstange, sowohl aufgrund der Herstellungs- bzw. Verfahrensmethodik als auch aus Stoß- bzw. Dellenresistenzgründen nicht immer dünn genug zu gestalten, um eine Oberflächenverformung zu vermeiden. Aus diesem Grund finden faserverstärkte Kunststoffe eine immer weitere Verbreitung, da sie hohe Festigkeit bei geringem Gewicht auszeichnen. So beschreibt DE-U-691 6307 einen Druckzylinder und eine darin geführte Kolbenstange aus faserverstärktem Kunststoff.

Bei Aktuatoren, insbesondere bei hydraulischen oder pneumatischen Aktuatoren ist es andererseits wichtig, daß die Kolbenlauffläche eine dichte, verschleißfeste Obertlächenstruktur aufweist. Zur Bildung einer adäquaten Lauffläche wird in EP 0 701 065 B1 die Verwendung eines metallischen Innenrohres innerhalb des Rohres aus faserverstärktem Kunststoff beschrieben.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckzylinder, insbesondere für Stoßdämpfer oder hydraulische, pneumatische oder hydropneumatische Aktuatoren, eine Kolbenstange für solche Aktuatoren oder Stoßdämpfer und Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, die eine einfache Herstellung ermöglichen und eine gute Festigkeit bieten.

Diese Aufgabe wird mit einem Druckzylinder mit den Merkmalen des Anspruches 1 und einer Kolbenstange mit den Merkmalen des Anspruches 17 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zur Herstellung eines Druckzylinders mit den Merkmalen des Anspruches 11 und einem Verfahren zur Herstellung einer Kolbenstange mit den Merkmalen des Anspruches 25 gelöst.

Besondere Ausführungsformen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Besonders vorteilhafte Verwendungen der erfindungsgemäßen Gegenstände und Verfahren für Aktuatoren oder Stoßdämpfer sind Gegenstand der Ansprüche 30 bis 33. Im vorliegenden Text umfaßt der Begriff „Aktuator" insbesondere hydraulische, pneumatische oder hydropneumatische Aktuatoren.

Die Mantelfläche eines erfindungsgemäßen Druckzylinders umfaßt ein metallisches Innenrohr, ein metallisches Außenrohr und einen zwischen dem Außen- und Innenrohr angeordneten Kern aus faserverstärktem Kunststoff. Der Begriff „Druckzylin der" wird im vorliegenden Text für das Gehäuse des Aktuators oder des Stoßdämpfers verwendet.

Das metallische Innenrohr bietet eine gute Lauffläche für einen in dem Druckzylinder sich bewegenden Kolben. Die innere Funktionsfläche weist eine dichte Oberfläche auf. Das metallische Außenrohr bietet einen wirksamen Schutz gegen seitliche Stöße, die die faserverstärkte Kunststoffstruktur verletzen könnten, und gegen UV-Alterung der Schicht aus faserverstärktem Kunststoff. Dennoch ist durch den Kern aus faserverstärktem Kunststoff der Druckzylinder von sehr geringem Gewicht.

Die metallischen Rohre sollten dünnwandig ausgestaltet sein. Als besonders vorteilhaft haben sie Rohre einer Wandstärke von ≤ 0,6 mm erwiesen.

Der Kern aus faserverstärktem Kunststoff kann aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten und miteinander verklebten Schichten zwischen den metallischen Rohren bestehen.

Besonders vorteilhaft für die Anwendung als Druckzylinder ist eine Struktur, bei der die Schicht aus faserverstärktem Kunststoff einen ersten Bereich aufweist, dessen Fasern im wesentlichen in Umfangsrichtung laufen, und einen zweiten Bereich, dessen Faser im wesentlichen in Axialrichtung verlaufen, wobei die zwei Bereiche konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die in Axialrichtung verlaufenden Fasern des zweiten Bereiches können die axiale Zug- bzw. Druckbelastung in einem Druckzylinder optimal abfangen. Der erste Bereich mit den in Umfangsrichtung ausgerichteten Fasern dient zur Aufnahme der durch die Druckunterschiede in dem Druckzylinder hervorgerufenen Umfangskraft. Durch die zwei Bereiche ist gewährleistet, daß der Druckzylinder die zwei auftretenden Hauptkräfte gleichermaßen gut aufnehmen kann.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Bereich der Schicht aus faserverstärktem Kunststoff mit axial ausgerichteten Fasern außen angeordnet und der Bereich der Schicht aus faserverstärktem Kunststoff mit in Umfangsrichtung ausgerichteten Fasern innen. Bei einer solchen Ausgestaltung werden die durch die Druckunterschiede innerhalb des Druckzylinders ausgeübten umfangsmäßigen Kräfte direkt von dem inneren Bereich der Schicht aus faserverstärktem Kunststoff optimal abgefangen. Äußere axiale Druck-/Zugbelastungen an dem Druckzylinder, wie sie z. B. bei Hydraulikzylindern auftreten, werden von der äußeren Schicht aufgenommen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckzylinders wird der durch die beschriebene Kompositstruktur gebildete Mantel durch metallische Abschlüsse abgeschlossen. Solche metallischen Abschlüsse lassen sich sehr leicht mit dem Mantel z. B. durch Schweißnähte verbinden. Bei einer Weiterbildung wird das metallische Innenrohr und/oder das metallische Außenrohr mit den Abschlüssen laserverschweißt. Eine besonders gute formschlüssige Anbindung läßt sich durch Schwalbenschwanzverschweißungen erreichen, die Schweißnähte aufweisen, die hintereinander folgende konkave und konvexe Linien aufweisen.

Die Schweißnähte zwischen Außenrohr und Abschlußstück einerseits und Innenrohr und Abschlußstück andererseits können jeweils an unterschiedlichen axialen Positionen vorgesehen sein. Auf diese Weise sind die einzelnen Schweißnähte von der Schicht aus faserverstärktem Kunststoff überdeckt und eine Leckage ist zusätzlich wirksam verhindert.

Zum Beispiel für die Anwendung des Druckzylinders in einem Aktuator, z. B. einem Hydraulikzylinder, Pneumatikzylinder oder Hydropneumatikzylinder kann einer der Zylinderabschlüsse mit einem Ösenkopf versehen sein, der vorzugsweise ein Kugelgelenk zur Verbindung mit einem durch den Aktuator zu bewegenden Bauelement aufweist.

Zur Zuführung des Druckmittels können vorteilhafterweise ein oder mehrere Druckmittelzuführungen im Zylindermantel vorgesehen sein, die jeweils eine Hülse umfassen, die sich radial durch den Zylindermantel erstreckt und sowohl mit dem metallischen Innenrohr als auch mit dem metallischen Außenrohr durch eine siche re Preßpassung verbunden ist. Mit dem faserverstärkten Kunststoffkern zwischen dem metallischen Innenrohr und dem metallischen Außenrohr wird die Druckmittelzuführung verklebt.

Derartige Kanäle können an beliebiger Stelle angebracht werden. Durch die Flexibilität können konventionelle Fittinggehäuse verwendet werden. Die Verklebung mit dem faserverstärkten Kunststoffkern kann mit Hilfe von Epoxit geschehen und bietet gleichzeitig eine Leckabdichtung.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckzylinders umfaßt das Aufbringen einer Außenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff auf die Außenseite eines ersten Metallrohres. Auf die Innenseite eines zweiten Metallrohres wird eine Schicht aus faserverstärktem Kunststoff aufgebracht. Die so präparierten Metallrohre werden zum Verkleben ineinander geschoben, wobei eine oder beide Verbindungsflächen unmittelbar davor mit einem entsprechenden Klebmaterial benetzt werden.

Ein solches Verfahren bietet den Vorteil der optimalen geometrischen Exaktheit und einfachen Weiterverarbeitung. Im Gegensatz zu einem sogenannten Naßverfahren, bei dem eine innere Metallwand in eine äußere Metallwand eingeschoben würde und der dadurch entstandene Hohlraum erst mit faserverstärktem Kunststoff gefüllt würde, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sichergestellt, daß der Hohlraum gleichmäßig befüllt wird und eine dichte Schicht ohne Lunker aufweist. Die konzentrische Justierung des inneren und des äußeren Metallrohres ist somit ebenfalls vereinfacht und präzise durchzuführen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich zudem ein möglichst großer Faseranteil realisieren.

Zur optimalen Anpassung der zwei ineinander zu schiebenden Schichten aus faserverstärktem Kunststoff werden diese bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Ineinanderschieben einer zerspanenden Bearbeitung unterzogen.

Die zwei Schichten aus faserverstärktem Kunststoff können unterschiedliche Hauptfaserausrichtungen aufweisen. Zur Herstellung einer Außenbeschichtung auf dem inneren Metallrohr kann bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Radialrovingwicklung auf das innere Rohr gewickelt werden. Zur Herstellung der Innenbeschichtung des zweiten Metallrohres kann ein Axialrovingbündel mit einer Schleuderpreßvorrichtung von innen gegen das metallische Rohr laminiert werden. Diese Techniken ermöglichen es insbesondere, einen extrem hohen Faseranteil zu erreichen.

Bei einem Verfahren, bei dem nur ein inneres Metallrohr mit faserverstärktem Kunststoff belegt würde und nach einer zerspanenden Bearbeitung in eine äußere Metallwand eingeschoben würde, müßte ein eventueller Hohlraum mit Epoxit aufgefüllt werden, wodurch der prozentuale Faseranteil des gesamten Kernes durch diese Epoxitauffüllung gemindert würde. Außerdem sind Lunker bei diesem Verfahren nicht auszuschließen.

Zur Verbindung des äußeren und des inneren Rohres mit metallischen Abschlußstücken dient bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ein Laserschweißverfahren. Bei einer Weiterbildung zur Gewährleistung besonders formschlüssiger Anbindungen werden die Schweißnähte als Schwalbenschwanzverschweißungen ausgestaltet.

Eine erfindungsgemäße Kolbenstange für Aktuatoren oder Stoßdämpfer weist ein metallisches inneres Zugrohr und ein metallisches äußeres Laufrohr auf. Zwischen dem Zugrohr und dem Laufrohr ist ein Kern aus faserverstärktem Kunststoff angeordnet.

Das metallische Laufrohr der erfindungsgemäßen Kolbenstange gewährleistet eine dichte und glatte Funktionsoberfläche, mit der die Kolbenstange durch die Deckelöffnung eines Aktuators gleiten kann. Durch die Verwendung von faserverstärktem Kunststoff weist die erfindungsgemäße Kolbenstange ein geringes Gewicht auf.

Die dominierende Beanspruchung der Kolbenstange ist durch axialen Zug bzw. Druck gekennzeichnet. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenstange sind die Fasern des faserverstärkten Kunststoffkernes daher im wesentlichen axial ausgerichtet.

Das Zugrohr und das Laufrohr mit dem dazwischen befindlichen faserverstärkten Kunststoffkern können durch metallische Abschlüsse abgeschlossen werden, die z. B. verschweißt, vorzugsweise laserverschweißt werden können. Dabei ergeben sich die bereits für den erfindungsgemäßen Druckzylinder geschilderten Vorteile. Vorteile anderer in Unteransprüchen genannter Ausführungsformen ergeben sich analog zu den geschilderten besonderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druckzylinders.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kolbenstange umfaßt das Aufbringen einer Außenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff auf das Zugrohr, das Aufbringen einer Innenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff auf die Innenseite des Laufrohres, das Einschieben der zwei so gebildeten Strukturen ineinander und das Verkleben der zwei faserverstärkten Kunststoffschichten. Es ergeben sich die bereits für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für einen Druckzylinder geschilderten Vorteile in analoger Weise.

Besondere Ausgestaltungen umfassen auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Kolbenstange die zerspanende Bearbeitung der zwei faserverstärkten Kunststoffschichten vor dem ineinander Schieben und die Herstellung der Innenbeschichtung des Laufrohres durch Laminieren eines Axialrovingbündels mit einer Schleuderpreßvorrichtung. Es ergeben sich die bereits für die besonderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Druckzylinders geschilderten Vorteile.

Für den Kern aus faserverstärktem Kunststoff zwischen dem metallischen Innenrohr und dem metallischen Außenrohr kann bei den erfindungsgemäßen Gegen ständen bzw. Verfahren z. B. glasfaserverstärkter Kunststoff, kohlefaserverstärkter Kunststoff oder aramidfaserverstärkter Kunststoff zum Einsatz kommen.

Besonders vorteilhaft lassen sich der erfindungsgemäße Druckzylinder und die erfindungsgemäße Kolbenstange in einem hydraulischen, pneumatischen oder hydropneumatischen Akuator oder einem Stoßdämpfer einzeln oder kombiniert einsetzen. Speziell bei Hochdruckzylindern von Aktuatoren und Stoßdämpfern ist große Festigkeit bei geringem Gewicht wichtig. Zudem sind die erfindungsgemäßen Bauelemente durch die äußeren Metallrohre gegen seitliche Stöße geschützt.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen und Ausgestaltungen im Detail erläutert. Dabei zeigt:

1: den seitlichen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckzylinder,

2: den in 1 mit II markierten Detailbereich,

3: den in 1 mit III bezeichneten Detailbereich,

4: in schematischer Darstellung eine Ausgestaltung der Schweißnähte der metallischen Elemente,

5: einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckzylinder senkrecht zu dessen Achse im Bereich eines Druckmittelzuflusses,

6: einen Ausschnitt aus einem seitlichen Schnitt durch einen Druckzylinder im Bereich der Druckmittelzuflüsse,

7: eine Preßvorrichtung zum Anbringen der faserverstärkten Kunststoffschicht im Außenrohr in Explosionsdarstellung,

8: die Vorrichtung der 7 während eines Zwischenschrittes,

9: die Vorrichtung der 7 in einem späteren Zwischenschritt,

10: einen seitlichen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kolbenstange,

11: der in 10 mit XI bezeichnete Detailbereich, und

12: der in 10 mit XII bezeichnete Detailbereich.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Druckzylinder 1 eines Hydraulikzylinders. Er umfaßt ein zylindrisches Hybridsandwichrohr aus Metall und faserverstärktem Kunststoff, z. B. glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder aramidfaserverstärktem Kunststoff. Es besteht aus einem dünnwandigen (vorzugsweise ≤ 0,6 mm) Metallrohr 5 und einem dünnwandigen (vorzugsweise ≤ 0,6 mm) Metallrohr 7. Zwischen diesen Metallrohren befindet sich eine Schicht aus faserverstärktem Kunststoff 9.
Unter Bezug zu 2 wird deutlich, daß die Schicht aus faserverstärktem Kunststoff aus zwei Teilen besteht. Der äußere Teil 15 („Gurt") umfaßt ein Rovingpaket, dessen Fasern im wesentlichen axial entlang des Druckzylinders ausgerichtet sind. Der zweite Teil 17 umfaßt eine Umfangswicklung aus Roving, deren Fasern im wesentlichen in Umfangsrichtung ausgerichtet sind. Diese Richtungen 18 sind im rechten Teil der 2 schematisch angedeutet.
An die Zylinderstruktur 3 schließt sich ein Kugelgelenkkopf 11 mit einem Kugelgelenk 12 als Abschlußstück an. Dieses ist mit Laserschweißnähten 19 sowohl mit dem Außenrohr 5 als auch mit dem Innenrohr 7 verbunden.
Auf der anderen Seite der Zylinderstruktur 3 schließt sich eine metallische zylindrische Öffnung 13 an. Diese ist, wie in 3 zu erkennen, ebenfalls durch Laserschweißnähte 21 mit dem Außenrohr 5 und dem Innenrohr 7 verbunden.
Die Laserschweißnähte zwischen dem Außenrohr 5 und dem anschließenden Metallstück 11, 13 bzw. dem Innenrohr 7 und dem anschließenden Metallstück 11, 13 sind an unterschiedlichen axialen Orten gewählt, so daß eine Überdeckung mit dem faserverstärkten Kunststoffmaterial vorliegt und eine Leckage wirksam ausgeschlossen werden kann.
Die Form der Laserschweißnähte 19, 21 zeigt 4. Die schwalbenschwanzartige Form der Schweißnähte 33 gewährleistet eine formschlüssige Anbindung.
5 zeigt einen Bereich des Zylindermantels des Druckzylinders 1 mit einem Druckmittelzufluß. Eine Hülse 27 ist mit Preßfassungen 23 in das Außenrohr 5 und das Innenrohr 7 eingepreßt. Mit den faserverstärkten Kunststoffschichten 15, 17 verbindet die Hülse eine Epoxitverklebung 25, die sich ggf. über die ganze radiale Ausdehnung der Kunststoffschicht 9 erstreckt.
6 zeigt einen seitlichen Schnitt durch einen Bereich des Druckzylinders 1 mit Druckmittelzuführungen 27, wie sie in 5 in einem Schnitt senkrecht zur Achse des Druckzylinders 1 gezeigt sind. In 6 ist insbesondere zu erkennen, wie in der endgültigen Verwendung die Hülsen 27 der Druckmittelzuführungen durch den Gehäusesitz 29 eines Fittinggehäuses überdeckt werden und formschlüssig noch einmal abgesichert werden. 31 bezeichnet ein konventionelles und daher hier nicht näher erläutertes Fittinggehäuse zur Zuführung von Druckmittel in den Druckzylinder 1.
7 zeigt eine Vorrichtung 36 zur Aufbringung der Innenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff auf die Innenseite des metallischen Außenrohres 5. Mit 33 ist ein Keilkegel bezeichnet, an den sich über Rippen verschiebbar gelagerte Trägersegmente 35 anschmiegen. Die Gesamtheit aus Keilkegeln 33 und Trägersegmenten 35 wird durch eine Langschraube 37 mit Mutter 39 und Zwischenlagscheibe 41 zusammengehalten.
8 zeigt einen Zwischenschritt, bei dem die Keilsegmente 35 und der Keilkegel 33 bereits durch die Langschraube 37, die Zwischenlagscheibe 41 und die Mutter 39 zusammengehalten werden. Die Trägersegmente 35 werden durch offene Federringe 43 zusammengehalten. Auf die so gebildete Struktur ist ein Rovingpaket 45 mit in Axialrichtung ausgerichteten Fasern aufgebracht. Wie durch den Pfeil angedeutet, wird die gesamte Struktur in das Außenrohr 5 eingeführt, um die faserverstärkte Kunststoffschicht von innen an das Außenrohr 5 zu laminieren. Die nach dem Einschieben entstandene Anordnung ist in 9 gezeigt.
10 zeigt eine erfindungsgemäße Kolbenstange 50. Sie weist ebenfalls eine Hybridsandwichrohrstruktur 51 aus Metall und faserverstärktem Kunststoff auf. Wie im Detail der 11 sichtbar, umfaßt die Sandwichstruktur 51 ein metallisches Laufrohr 59 und ein dazu konzentrisch angeordnetes metallisches Zugrohr 57. Dazwischen befindet sich eine Schicht aus faserverstärktem Kunststoff 61, deren Fasern im wesentlichen axial ausgerichtet sind. An die zylindrische Sandwichstruktur 51 schließt sich an einer Seite ein Kolbenanschluß 53 aus Metall an. Dieser ist mit dem Laufrohr 59 und dem Zugrohr 57 durch Laserschweißnähte 63 verbunden. Auf der anderen Seite des Sandwichrohres 51 schließt sich ein Kugelgelenkkopf 55 mit einem Kugelgelenk 56 an. Dieser metallische Kugelgelenkkopf ist ebenfalls durch Laserschweißnähte 65 mit dem Laufrohr 59 und dem Zugrohr 57 verbunden, wie es das Detail der 12 zeigt.
Die Schweißnähte 63, 65 können ebenfalls als Schwalbenschwanzverschweißungen ausgeführt werden, wie sie in 4 für den erfindungsgemäßen Druckzylinder 1 gezeigt sind.
Auch für die Schicht 61 faserverstärkten Kunststoffes der erfindungsgemäßen Kolbenstange 50 kann z. B. glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder aramidfaserverstärkter Kunststoff eingesetzt werden.
Eine erfindungsgemäße Kolbenstange 50 kann vorteilhaft mit einem erfindungsgemäßen Druckzylinder 1 z. B. in einem hydraulischen, pneumatischen oder hydropneumatischen Aktuator oder einem Stoßdämpfer kombiniert werden.
Um das Aktuatorgehäuse 1 des Druckzylinders in Sandwichbauweise mit einem Kern aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen, werden die innere Metallwand 7 (Lining) und die äußere Metallwand 5 (Casing) inklusive der jeweiligen Hälfte des Kernes 9 aus faserverstärktem Kunststoff separat hergestellt und nach einer zur optimalen Anpassung durchgeführten zerspanenden Bearbeitung ineinander geschoben und verklebt.
Die innere Metallstruktur besteht aus drei Einzelteilen und weist eine einfache rotationssymmetrische Form auf. Der Kugelgelenkkopf 11 wird durch Drehen oder Fräsen hergestellt. Das daran anschließende innere Metallrohr 7 weist eine Wandstärke von < 0,6 mm und ist kalt gezogen und nahtlos. Das sich ebenfalls an den Kugelgelenkkopf 11 anschließende äußere Metallrohr 5 ist ein kalt gezogenes nahtloses dünnwandiges Rohr mit einer Wandstärke < 0,6 mm, vorzugsweise aus rostfreiem, kaltgezogenem Metall gefalzt. Der Deckelsitz 13 wird gedreht oder gepreßt und dient der Fixierung eines Deckels. Die Metallteile werden mit einer Laserschweißanlage hochpräzise geschweißt und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen. Um eventuelle Deformationen zu verhindern, wird diese Metallstruktur bis zur Fertigstellung in einer Vorrichtung eingespannt. Die Schweißnähte 19, 21 werden wellenförmig ähnlich einer Schwalbenschwanzverbindung gebildet. Unebenheiten um die Nähte werden durch Hohnen und Verchromen geglättet.
Der innere Teil 17 der Schicht aus faserverstärktem Kunststoff 9 wird auf einer konventionellen Wickelmaschine mit einer Radialrovingwicklung 17 versehen. Die innere Wand des Casings 5 wird mit Hilfe der in 7 bis 9 gezeigten Schleuder-Preß-Vorrichtung 36 laminiert, um ein Axialrovingbündel 15 zu bilden. Der prozentuale Anteil der in Umfangsrichtung ausgerichteten Fasern des Zylinders bezüglich der Umfangszugkraft bzw. der in Längsrichtung ausgerichteten Fasern bezüglich der axialen Zugkraft läßt sich durch Superponieren getrennt bestimmen.
Dabei werden zunächst auf den Keilkegel 33 die Trägerelemente 35 auf die in 7 sichtbaren Rippen aufgesetzt. Die Struktur wird mit offenen Federringen 43 zusammengehalten und durch die Schraube 37, die Zwischenlegscheibe 41 und die Mutter 39 gesichert. Auf diese Struktur wird ein Rovingpaket 45 mit in Axialrichtung ausgerichteten Fasern aufgebracht. Die gesamte Struktur wird in das Casing 5 eingeschoben. Mit Hilfe der Mutter 39 werden Keilkegel 33 und Trägersegmente 35 gegeneinander verspannt, so daß das Rovingpaket 45 gegen das Casing 5 laminiert wird.
Kanäle zur Zuführung des Druckmittels in den Aktuator können an beliebiger Stelle angebracht werden. Entsprechend eingebrachte Bohrungen im Zylindermantel 3 werden jeweils mit einer Hülse 27 versehen, wobei die Anschlußstelle in den Metallrohren 5 und 7 eine enge Preßpassung 23 aufweisen. Eine Epoxitverklebung 25 mit den beiden Schichten 15, 17 des faserverstärkten Kunststoffkernes 9 gewährleistet eine hohe Leckdichte.
Zusätzliche formschlüssige Sicherung erfahren die Hülsen 27 im Zylindermantel 3 durch den Gehäusesitz 29 des Fittinggehäuses 31. Das Fittinggehäuse 31 kann ein konventionelles Fittinggehäuse sein und wird daher hier nicht im Detail beschrieben.
Die erfindungsgemäße Kolbenstange 50 besteht ebenfalls aus Einzelteilen 53, 51, 55. Der Kugelgelenkkopf 55 zur Aufnahme des Kugelgelenkes 56 wird durch Drehen oder Fräsen eines Metallteiles hergestellt.
Ein kalt gezogenes nahtloses dünnwandiges Metallrohr 57 mit einer Wandstärke < 0,6 mm dient als Zugrohr. Ein kalt gezogenes nahtloses rostfreies und gefalztes dünnwandiges Rohr 59 mit einer Wandstärke < 0,7 mm dient als Lauffläche. An das Laufrohr 59 und das Zugrohr 57 ist der Kolbenanschluß 53 aus Metall über Laser schweißnähte 63 angeschweißt. Auf der anderen Seite ist der Kugelgelenkkopf 55 über Laserschweißnähte 65 mit dem Laufrohr 69 und dem Zugrohr 57 verbunden. Ebenso wie für die Laserschweißnähte des Druckzylinders 1 beschrieben, können die Laserschweißnähte schwalbenschwanzförmig ausgestaltet sein, wie es in 4 sichtbar ist, um eine gute formschlüssige Anbindung zu erreichen, und/oder an unterschiedlichen axialen Orten vorgesehen sein.
Das Aufbringen der Beschichtung 61 aus faserverstärktem Kunststoff auf die Innenseite des Laufrohres 59 erfolgt ähnlich wie beim Casing 5 des Druckzylinders 1. Dazu kann ebenfalls eine Schleuder-Preß-Vorrichtung eingesetzt werden, wie sie für die Beschichtung des Casings 5 des Druckzylinders 1 mit Bezug zu den 7 bis 9 erläutert worden ist.
Im Unterschied zu der beschriebenen Ausführungsform des Druckzylinders 1 umfaßt die Schicht 61 aus faserverstärktem Kunststoff der Kolbenstange 50 ausschließlich Rovingbündel, deren Fasern in Längsrichtung verlegt sind, um der Hauptbelastung der Kolbenstange in Axialrichtung gerecht zu werden.
Beim Verkleben der auf die Außenseite des Zugrohres 57 aufgebrachten Schicht aus faserverstärktem Kunststoff und der auf der Innenseite des Laufrohres 59 aufgebrachten Schicht aus faserverstärktem Kunststoff zur Bildung der Zwischenschicht 61 aus faserverstärktem Kunststoff der Kolbenstange 50 können diejenigen Stellen mit durch die zerspanende Bearbeitung gebrochenen Fasern zur homogenen Verteilung so verklebt werden, daß die Stellen 180° auf dem Ring plaziert werden.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeter Sandwichkern weist verringerte Inhomogenität und konstante Wandstärke auf. Es können komplizierte Gebilde wie Hydraulikzylindergehäuse mit integriertem Boden bzw. Deckel gebildet werden, wobei die Struktur ein geringes Gewicht und trotzdem hohe Festigkeit aufweist.

Claims

Druckzylinder für Aktuatoren, insbesondere hydraulische, pneumatische oder hydropneumatische Aktuatoren, oder Stoßdämpfer, mit einer Mantelfläche (3), die folgendes aufweist: – ein metallisches Innenrohr (7), – ein metallisches Außenrohr (5), und – einen zwischen Außen- und Innenrohr angeordneten Kern (9) aus faserverstärktem Kunststoff.
Druckzylinder nach Anspruch 1, bei dem das metallische Innenrohr (7) und/oder das metallische Außenrohr (5) dünnwandig, vorzugsweise mit einer Wandstärke von ≤ 0,6 mm ausgestaltet sind.
Druckzylinder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Kern (9) aus faserverstärktem Kunststoff zumindest zwei konzentrische Bereiche aufweist, wobei die Fasern des faserverstärkten Kunststoffes in einem ersten Bereich (17) im wesentlichen in Umfangsrichtung ausgerichtet sind und in einem zweiten Bereich (15) im wesentlichen in Axialrichtung ausgerichtet sind.
Druckzylinder nach Anspruch 3, bei dem der erste Bereich (17) innerhalb des zweiten Bereiches (15) angeordnet ist.
Druckzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit metallischen stirnseitigen Abschlüssen (11, 13).
Druckzylinder nach Anspruch 5, bei dem das Außen- (5) und/oder das Innenrohr (7) mit den metallischen Abschlüssen (11, 13) verschweißt, vorzugsweise laserverschweißt ist.
Druckzylinder nach Anspruch 6, bei dem die Schweißnähte (19, 21) wellenförmig gestaltete Schwalbenschwanzverschweißungen (33) mit hintereinander folgenden konkaven und konvexen Linien aufweisen.
Druckzylinder nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die Schweißnaht zwischen Innenrohr (7) und metallischem Abschlußstück (11, 13) einerseits und die Schweißnaht zwischen Außenrohr (5) und metallischem Abschlußstück (11, 13) andererseits an unterschiedlichen axialen Positionen des Druckzylinders vorgesehen sind.
Druckzylinder nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem einer der metallischen Abschlüsse einen Ösenkopf (11), vorzugsweise mit einem Kugelgelenk (12), aufweist.
Druckzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit zumindest einer Druckmittelzufuhreinrichtung an der Mantelfläche (3), die eine Hülse (27) umfaßt, die sich radial durch den Mantel (3) erstreckt, mit dem Außenrohr (5) und dem Innenrohr (7) jeweils eine Preßpassung aufweist und mit dem Kern (9) aus faserverstärktem Kunststoff verklebt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Druckzylinders gemäß Anspruch 1, das folgende Schritte umfaßt: – Aufbringen einer Außenbeschichtung (17) aus faserverstärktem Kunststoff auf die Außenseite eines ersten dünnen Metallrohres (7), – Aufbringen einer Innenbeschichtung (15) aus faserverstärktem Kunststoff auf die Innenseite eines zweiten dünnen Metallrohres (5), – Einschieben des ersten Metallrohres (7) mit der Außenbeschichtung (17) aus faserverstärktem Kunststoff in das zweite Metallrohr (5) mit der Innenbeschichtung (15) aus faserverstärktem Kunststoff, und – Verkleben der zwei Schichten (15, 17) aus faserverstärktem Kunststoff.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem vor dem Einschieben zur Passung der zwei Schichten (15, 17) aus faserverstärktem Kunststoff die Schichten einer zerspanenden Bearbeitung unterzogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem zur Herstellung der Außenbeschichtung (17) aus faserverstärktem Kunststoff auf dem ersten dünnen Metallrohr (7) eine Radialrovingwicklung auf das erste dünne Metallrohr (7) gewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem zur Herstellung der Innenbeschichtung (15) aus faserverstärktem Kunststoff in dem zweiten dünnen Metallrohr (5) ein Axialrovingbündel (45) mit einer Schleuderpreßvorrichtung (36) auf die Innenseite des zweiten dünnen Metallrohres (5) laminiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem zur Verbindung des äußeren (5) und des inneren (7) Rohres mit metallischen Abschlußelementen (11, 13) eine Verschweißung, vorzugsweise Laserverschweißung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Schweißnähte (19, 21) als wellenförmig gestaltete Schwalbenschwanzverschweißungen (33) aus hintereinander folgenden konkaven und konvexen Linien ausgestaltet werden.
Kolbenstange für Aktuatoren, insbesondere hydraulische, pneumatische oder hydropneumatische Aktuatoren, oder Stoßdämpfer, mit – einem metallischen inneren Zugrohr (57), – einem dünnwandigen metallischen äußeren Laufrohr (59), das zu dem metallischen inneren Zugrohr (57) konzentrisch ist, und – einem zwischen Zugrohr (57) und Laufrohr (59) angeordneten Kern (61) aus faserverstärktem Kunststoff.
Kolbenstange nach Anspruch 17, bei der das metallische Zugrohr (57) und/oder das metallische Laufrohr (59) dünnwandig, vorzugsweise mit einer Wandstärke von ≤ 0,6 mm ausgestaltet sind.
Kolbenstange nach einem der Ansprüche 17 oder 18 mit metallischen stirnseitigen Abschlüssen (53, 55).
Kolbenstange nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der das Zugrohr (57) und/oder das Laufrohr (59) mit den metallischen Abschlüssen (53, 55) verschweißt, vorzugsweise laserverschweißt sind.
Kolbenstange nach Anspruch 20, bei der die Schweißnähte (63, 65) wellenförmig ausgestaltete Schwalbenschwanzverschweißungen mit aufeinander folgenden konkaven und konvexen Linien umfassen.
Kolbenstange nach einem der Ansprüche 20 oder 21, bei der die Schweißnähte zwischen Zugrohr (57) und metallischem Abschluß (53, 55) einerseits und zwischen Laufrohr (59) und metallischem Abschlußstück (53, 55) andererseits an axial unterschiedlichen Positionen vorgesehen sind.
Kolbenstange nach einem der Ansprüche 17 bis 22, bei der einer der metallischen Abschlüsse einen Ösenkopf (55), vorzugsweise mit einem Kugelgelenk (56) umfaßt.
Kolbenstange nach einem der Ansprüche 17 bis 23, bei der der Kern (61) aus faserverstärktem Kunststoff durch in Axialrichtung ausgerichtete Rovingbündel charakterisiert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Kolbenstange gemäß Anspruch 17, das folgende Schritte umfaßt: – Aufbringen einer Außenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff auf die Außenseite des Zugrohres (57), – Aufbringen einer Innenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff auf die Innenseite des Laufrohres (59), – Einschieben des Zugrohres (57) mit der Außenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff in das Laufrohr (59) mit der Innenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff, und – Verkleben der zwei Schichten aus faserverstärktem Kunststoff.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem vor dem Einschieben des Zugrohres (57) mit der Außenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff in das Laufrohr (59) mit der Innenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff zur Passung eine zerspanende Bearbeitung der Beschichtungen aus faserverstärktem Kunststoff durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 oder 26, bei dem zur Herstellung der Außenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff auf dem Zugrohr (57) und/oder zur Herstellung der Innenbeschichtung aus faserverstärktem Kunststoff in dem Laufrohr (59) das Zugrohr (57) bzw. das Laufrohr (59) mit einem Axialrovingbündel versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem zur Verbindung des Zugrohres (57) und des Laufrohres (59) mit metallischen Abschlußelementen (53, 55) eine Verschweißung, vorzugsweise Laserverschweißung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Schweißnähte (63, 65) als wellenförmig ausgestaltete Schwalbenschwanzverschweißungen (33) mit aufeinander folgenden konkaven und konvexen Linien ausgestaltet werden.
Aktuator mit einem Aktuatorgehäuse, das einen Druckzylinder (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bzw. einen Druckzylinder, der mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16 hergestellt ist, umfaßt.
Aktuator, insbesondere nach Anspruch 30, mit einer Kolbenstange nach einem der Ansprüche 17 bis 24 bzw. einer Kolbenstange, die mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29 hergestellt ist.
Stoßdämpfer mit einem Gehäuse, das einen Druckzylinder (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bzw. einen Druckzylinder, der mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16 hergestellt ist, umfaßt.
Stoßdämpfer, insbesondere nach Anspruch 33, mit einer Kolbenstange nach einem der Ansprüche 17 bis 24 bzw. einer Kolbenstange, die mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29 hergestellt ist.