DE102006047413A1

DE102006047413A1 - Zylinder aus Faserverbundwerkstoff mit metallischen Flanschkomponenten sowie Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102006047413A1
Application number: DE102006047413A
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr. Ing. Habil. Hufenbach; Lothar Dr. Ing. Kroll; Maik Dr. Ing. Gude; Olaf Dipl.-Ing. Helms; Andreas Dipl.-Ing. Ulbricht
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Leichtbau Zentrum Sachsen GmbH
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: DE102006047413B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinder aus Faserverbundwerkstoff mit metallischen Flanschkomponenten, bestehend aus einer zylindrischen Bauteilsektion mit Schlaufenstruktur (4) und/oder Gewindestruktur (5) an den Enden der zylindrischen Bauteilsektion mit axial und tangential orientierten Faserlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Bauteilsektion an ihren Enden eine vorgefertigte Schlaufen- (4) und/oder Innengewindestruktur (5) aufweist und die metallischen Flanschkomponenten (2, 3) mit den vorgefertigten Enden formschlüssig verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinder aus Faserverbundwerkstoff nach den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung nach den Merkmalen des Anspruchs 7.
Die Wettbewerbsfähigkeit vieler Hydraulikkomponenten für Luft- und Raumfahrtanwendungen wird maßgeblich durch die Realisierung innovativer Leichtbaukonzepte bestimmt. Die strukturellen Komponenten von Luftfahrt-Hydraulikaktuatoren werden bisher im Wesentlichen aus hochfesten, z. T. geschmiedeten Stahlwerkstoffen hergestellt. Insbesondere bei Ausführungen mit langen Hüben trägt das entsprechend lange Zylinderrohr erheblich zum Aktuatorgewicht bei. Durch den Einsatz kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK) können insbesondere bei solchen langen Zylinderrohren deutliche Gewichtseinsparungen erzielt werden.

a) Zylinderrohre aus Stahl Für Hydraulikaktuatoren bei Luftfahrtanwendungen kommen bisher vorwiegend schwerere Zylinderrohre aus hochwertigen Stahlwerkstoffen zum Einsatz.
b) Zylinderrohre aus Faser-Kunststoff-Verbund mit formschlüssigen Flanschverbindungen

Für Leichtbau-Hydraulikzylinder werden vereinzelt Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) eingesetzt. Das typische industriell eingesetzte Fertigungsverfahren für derartige Zylinderstrukturen ist das Faserwickelverfahren. Einfache Verbund-Zylinderrohre werden in Kombination mit Zugankern eingesetzt, die die Längskräfte zwischen den Zylinderflanschen übertragen.

Zylinderrohre aus Faserverbund:

• Hufenbach, W.; Müller, C. N.: Verwendung eines Verbundaggregates aus einem Liner und einem faserverstärktem Kunststoffrohr als Druckzylinder eines Stellantriebes der Hochdruckhydraulik. Patent, DE 44 30 502 C2 , 27. Aug. 1994 Schraubverbindung:
• Wenderoth, K.; Bachmann, A.: Schraubverbindung für einen Körper aus Faserverbundwerkstoff. Offenlegungsschrift, DE 102 06 614 A1 , 15. Feb. 2002 Konturverbindungen:
• Bachmann, A.; Zankl, W.: Hydraulikzylinder. Patentschrift DE 196 49 133 C1 , 27. Nov. 96
• Ching, F.: Composite cylinder for use in aircraft hydraulic actuator. Europäisches Patent, EP 0 640 186 B1 , 19. Feb. 1997 Schlaufenverbindungen:
• Dirkin, W.; Douglass, D.; Tootle, J. N.; Benton, T. L.: Fluid Actuator including composite cylinder assembly. Patentschrift, US 4,685,384, 11 . Aug. 1987

Die Nachteile des Standes der Technik sind die Folgenden:
zu a) Die Verwendung von Stahlwerkstoffen für Zylinderrohre führt insbesondere bei längeren Aktuatoren zu erheblichen Bauteilgewichten.
zu b) Die Wickeltechnik ist für die Herstellung von Zylinderstrukturen geradezu prädestiniert. Die Schwierigkeit besteht jedoch in der strukturellen Integration geeigneter Bauteilgeometrien, die eine formschlüssige lösbare Anbindung der Zylinderflansche sowie die Einleitung hoher axialer Lasten erlauben. Integrative Konturen für die formschlüssige Einbettung von Lasteinleitungselementen können z. B. mit Hilfe der Wickeltechnik hergestellt werden. Dabei wird die Faserverbundkomponente durch direkte Faserablage auf dem konturierten Lasteinleitungselement hergestellt. Die spätere Montage und Demontage derartiger Lasteinleitungselemente ist im Allgemeinen schwierig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Bauweise und eines zugehörigen Fertigungsverfahrens für einen Zylinder aus Faserverbundwerkstoff, der gegenüber konventionellen Stahl-Zylinderrohren deutliche Gewichtseinsparungen ermöglicht und die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Zylinder mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 7 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß besteht der Zylinder aus einer zylindrischen Bauteilsektion mit einer an ihren Enden vorgefertigten Schlaufen- und/oder Innengewindestruktur, wobei die metallischen Flanschkomponenten mit den vorgefertigten Enden formschlüssig verbunden sind.

Durch Ausstattung einer zylindrischen Bauteilsektion mit einer integrativen Innengewindestruktur an einem Ende und integrativer Schlaufenstruktur am gegenüberliegenden Ende kann ein besonders niedriges Bauteilgewicht und eine gute Montierbarkeit des Zylinders erzielt werden. Die bei Zugbelastung des Hydraulikantriebs oder beim Anfahren der äußeren Endlage des Kolbens auftretenden hohen axialen Zug-Lasten zwischen den Zylinderflanschen werden im Wesentlichen durch eine oder mehrere etwa axial orientierte Faserlagen in der Zylinderstruktur übertragen. Zur Gewährleistung einer hohen Verbindungsfestigkeit folgen diese etwa axial orientierten Verstärkungsfasern in den Fügezonen den integrativen Lasteinleitungsgeometrien.

Vorteilhaft bilden axial orientierte Faserlagen die Schlaufenstruktur. Im Bereich der Innengewindestruktur sind die Faserlagen über den Umfang aufgefächert. Im Bereich der zylindrischen Bauteilsektion sind Faserlagen mit umlaufender Orientierung und im Bereich der Innengewindestruktur mit zusätzlich tangentialer Orientierung vorgesehen.

Für die Aufnahme des hydraulischen Innendrucks in der zylindrischen Bauteilsektion sind die Faserlagen mit vorwiegend tangentialer Orientierung vorgesehen.

Die Schlaufenstruktur ermöglicht die beanspruchungsgerechte formschlüssige Aufnahme einer metallischen Flanschkomponente mit Funktionsflächen wie etwa Hydraulikanschlüssen und einem Lagersitz für ein Gelenklager. Die Montage dieser Flanschkomponente erfolgt durch Einschieben von der gewindeseitigen Rohröffnung.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das schlaufenseitige Flanschkomponente das Zylinderrohr mediendicht verschließt und ein Lagerauge für die Zylinderbefestigung aufweist.

Für die Innengewindestruktur sind Gewinde mit etwa verrundeten oder trapezförmigen Konturen bzw. verrundeten Trapezkonturen besonders geeignet. Zur Übertragung der hohen Axiallasten ist technologisch sicherzustellen, dass sich die axial orientierten Fasern an die Gewindekontur anschmiegen. Bei der Übertragung von Zug-Kräften führt die Gewindekontur in der Fügezone durch Flankenpressungen zu einer erheblichen tangentialen Belastung der CFK-Struktur. Da die Festigkeit der axialen Faserlagen in tangentialer Richtung geringe Werte aufweist, ist die Fügezone durch zusätzliche Umfangswicklungen zu stützen. Die Innengewindestruktur erlaubt die formschlüssige Aufnahme eines metallischen Flanschbauteils mit Funktionsflächen wie etwa einer Kolbenstangenführung und Hydraulikanschlüsse.

Weiterhin vorteilhaft ist die zylindrische Bauteilsektion innenseitig durch eine dünnwandige metallische Schicht ausgekleidet.

Gemäß dem Verfahren zur wickeltechnischen Herstellung eines Zylinders werden auf einem mehrteiligen Wickelkern, bestehend aus zylindrischer Werkzeugkomponente für die Formgebung der zylindrischen Bauteilsektion und angesetzten Werkzeugkomponenten für die Formgebung der Schlaufen- und/oder Innengewindestruktur zunächst vorwiegend axial orientierte Faserlagen wickeltechnisch abgelegt und anschließend umlaufend orientierte Faserlagen abgelegt, daraufhin wird der Verbundwerkstoff konsolidiert und anschließend der mehrteilige Wickelkern schrittweise aus dem konsolidierten Verbundwerkstoff entnommen.

Vorteilhaft wird dafür die konsolidierte Faserverbundstruktur im Bereich der Kappe für die Faserumlenkung getrennt.

Das Wickelkern-Gewindesegment kann vorteilhaft nach der Konsolidierung herausgeschraubt werden.

Vorteilhaft wird nach der Entnahme des mehrteiligen Wickelkerns zunächst die Flanschkomponente zur Schlaufenanbindung gewindeseitig in das Faserverbund-Zylinderrohr eingeführt und durch Montageelemente axial gesichert.

Weiterhin vorteilhaft wird die Flanschkomponente für die Schraubverbindung nach der Montage der Flanschkomponente für die Schlaufenanbindung eingeschraubt und gegen Verdrehen gesichert.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine faserverbundgerechte Integration von Innengewindestruktur und Schlaufenstruktur in eine wickeltechnisch hergestellte Zylinderstruktur für Hydraulik-Aktuatoren ermöglicht.

Die Verwendung eines speziellen mehrteiligen Wickelkerns ermöglicht die wickeltechnische Herstellung und Entformung einer Zylinderstruktur mit integrativer Innengewinde- und Schlaufenstruktur.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

– erhebliche Gewichtseinsparungen bei längeren Zylinderstrukturen gegenüber Stahlbauweisen,
– reproduzierbare Herstellung hochwertiger, maßhaltiger Verbundkomponenten mit beanspruchungsgerechter Faserverstärkung,
– einfache Montage von Flanschkomponenten durch integrative Gewinde- und Schlaufengeometrien,
– hochfeste formschlüssige Verbindungen zwischen metallischen Lasteinleitungselementen und der Faserverbundkomponente, dadurch auch besonders kurzer und direkter Kraftfluss zwischen den Lasteinleitungselementen,
– keine aufwendigen und teuren Strukturklebungen erforderlich,
– Serientauglichkeit durch rationellen automatisierbaren Prozess.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Längsschnitt und eine Seitenansicht eines Faserverbund-Zylinderrohrs aus Faserverbundwerkstoff mit metallischen Flanschkomponenten sowie die Flanschkomponenten als Einzelteile
2 eine schematische perspektivische Darstellung des Faserverbund-Zylinderrohrs mit integrativer Schlaufen- und integrativer Innengewindestruktur
3 eine Darstellung wesentlicher Montageschritte
4 eine Seitenansicht und einen Längsschnitt eines mehrteiligen Wickelkerns für die Fertigung eines Faserverbund-Zylinderrohrs mit integrativer Schlaufen- und Innengewindestruktur.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Faserverbund-Zylinderrohr 1 aus Faserverbundwerkstoff mit metallischen Flanschkomponenten 2, 3. In das Faserverbund-Zylinderrohr 1 sind dabei eine Schlaufenstruktur 4 und ein Innengewindestruktur 5 als Lasteinleitungsstrukturen integriert.
Mittels der integrativen Schlaufenstruktur 4 werden Zugkräfte formschlüssig von der Flanschkomponente 2 auf die Faserverbundstruktur des Faserverbund-Zylinderrohrs 1 übertragen. Diese Flanschkomponente 2 dient der Abdichtung des Faserverbund-Zylinderrohrs 1, bietet Funktionsflächen für Hydraulikanschlüsse und eine Endlagendämpfung und weist eine Montageschnittstelle wie etwa ein Lagerauge 6 für die äußere Zylinderbefestigung auf.
Mit Hilfe der integrativen Innengewindestruktur 5 werden gegenüberliegend Zugkräfte formschlüssig von der Flanschkomponente 3 auf die Faserverbundstruktur des Faserverbund-Zylinderrohrs 1 übertragen. Diese Flanschkomponente 3 dient neben der Abdichtung des Faserverbund-Zylinderrohrs 1 der Durchführung einer Kolbenstange und weist Funktionsflächen für Hydraulikanschlüsse und eine Endlagendämpfung auf.
Das Faserverbund-Zylinderrohr 1 ist zum einen mit vorwiegend axial orientierten Faserlagen 8 und zum anderen mit etwa tangential ausgerichteten Faserlagen 9 verstärkt. In der zylindrischen Bauteilsektion der Faserverbundstruktur werden durch tangentiale Faserlagen 9 die hydraulischen Drucklasten aufgenommen. Die axialen Faserlagen 8 durchlaufen die Schlaufenstruktur 4 und werden in der zylindrischen Bauteilsektion der Faserverbundstruktur kontinuierlich auf den Umfang des Zylinders aufgefächert. Diese axialen Faserlagen 8 folgen im Bereich der Innengewindestruktur 5 wellenförmig der Gewindekontur. Durch weitere etwa tangentiale Faserlagen 9 wird der Gewindebereich bandagiert.
Eine detaillierte perspektivische Skizze eines erfindungsgemäßen Faserverbund-Zylinderrohrs 1 mit integrativer Schlaufen- 4 und integrativer Innengewindestruktur 5 ist in 2 dargestellt.
Wesentliche Montageschritte sind in 3 dargestellt. Die schlaufenseitige Flanschkomponente 2 wird gewindeseitig in das Faserverbund-Zylinderrohr 1 eingeführt, durch das Faserverbund-Zylinderrohr 1 in seine Endlage geschoben (A) und dort mit Hilfe der Stützelemente (17) verschraubt (18). Anschließend kann eine Anordnung aus Kolben, Kolbenstange und metallischer Flanschkomponente 3 in das Zylinderrohr eingeführt werden. Die Flanschkomponente 3 wird dann durch Einschrauben (B) formschlüssig mit dem Faserverbund-Zylinderrohr 1 verbunden.
In 4 ist ein Längsschnitt und eine Seitenansicht und eines mehrteiligen Wickelkerns für die Fertigung eines Faserverbund-Zylinderrohrs 1 mit integrativer Schlaufen- und Innengewindestruktur dargestellt. Die Wickelkern-Basiskomponente 10 bietet die Formoberfläche für die zylindrische Bauteilsektion des Faserverbund-Zylinderrohrs 1. Diese Basiskomponente wird mit Hilfe der einseitig koaxial angebrachten Antriebswelle 14 in einer Wickelmaschine positioniert und rotiert. Formoberflächen für die Schlaufenstruktur 4 werden durch das Wickelkern-Schlaufensegment 11 und die beiden seitlichen Schlaufenstützen 12 gebildet. Die Formoberflächen für die integrative Innengewindestruktur 5 befinden sich auf dem Wickelkern-Gewindesegment 13. Für die gleichmäßige Verteilung der etwa axial orientierten Faserlagen im Gewindebereich ist eine Faserführungshilfe 16 vorgesehen. Eine Kappe 15 dient als Wendezone für etwa axial orientierte Faserlagen 8.
Das Faserverbund-Zylinderrohr 1 wird durch wickeltechnische Ablage harzgetränkter Faserstränge auf einem speziellen mehrteiligen Wickelkern hergestellt.
Zur Entnahme des mehrteiligen Wickelkerns wird das Faserverbund-Zylinderrohr 1 zunächst im gewindenahen Kappenbereich umlaufend getrennt und die Kappe 15 und der abgetrennte Verbundwerkstoff von der Basiskomponente abgezogen. Anschließend wird das Gewindesegment 13 mit Hilfe eines speziellen Schlüssels über vorgesehene Schlüsselflächen aus der Innengewindestruktur 5 herausgedreht. Nachdem die seitlichen Schlaufenstützen 12 entfernt wurden, kann mit Hilfe einer Abzugsvorrichtung die Faserverbundstruktur von der Basiskomponente entformt werden. Diese Abzugsvorrichtung leitet dabei die Abzugskraft in das Schlaufensegment 11 und die Gegenkraft in die Basiskomponente 10 ein. Das Gewinde behindert dabei die Entformung nicht, da der Gewindekerndurchmesser etwas größer gewählt wird als der Durchmesser der rein zylindrischen Bauteilsektion.

1: Faserverbund-Zylinderrohr
2: Flanschkomponente für Schlaufenanbindung
3: Flanschkomponente für Schraubverbindung
4: Schlaufenstruktur
5: Innengewindestruktur
6: Lagerauge
7: Führung für Kolbenstange
8: axiale Faserlage
9: tangentiale Faserlage
10: Wickelkern-Basiskomponente
11: Wickelkern-Schlaufensegment
12: Wickelkern-Schlaufenstützen
13: Wickelkern-Gewindesegment
14: Antriebswelle
15: Kappe für Faserumlenkung
16: Faserführungshilfe
17: Stützelement
18: Schraube

Claims

Zylinder aus Faserverbundwerkstoff mit metallischen Flanschkomponenten, bestehend aus einer zylindrischen Bauteilsektion mit Schlaufenstruktur (4) und/oder Gewindestruktur (5) an den Enden der zylindrischen Bauteilsektion mit axial und tangential orientierten Faserlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Bauteilsektion an ihren Enden eine vorgefertigte Schlaufen- (4) und/oder Innengewindestruktur (5) aufweist und die metallischen Flanschkomponenten (2,3) mit den vorgefertigten Enden formschlüssig verbunden sind.
Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass axial orientierte Faserlagen die Schlaufenstruktur (4) bilden und im Bereich der Innengewindestruktur (5) über den Umfang aufgefächert sind, wobei im Bereich der zylindrischen Bauteilsektion Faserlagen mit umlaufender Faserorientierung und im Bereich der Gewindestruktur (5) weitere tangential orientierte Faserlagen vorgesehen sind.
Zylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Bauteilsektion innenseitig durch eine dünnwandige metallische Schicht ausgekleidet ist.
Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der metallischen Flanschkomponente (2) auf einer Seite das Faserverbund-Zylinderrohr (1) verschlossen ist.
Zylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Flanschkomponente (2) ein Lagerauge (6) aufweist, das formschlüssig von der Schlaufenstruktur (4) umschlungen ist.
Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innengewindestruktur (5) eine verrundete oder trapezförmige Kontur aufweist, wobei die axial orientierten Faserlagen der Kontur des Gewindes folgend abgelegt sind und dort von den tangentialen Faserlagen fixiert sind.
Verfahren zur wickeltechnischen Herstellung eines Zylinders aus Faserverbundwerkstoff, bestehend aus einer zylindrischen Bauteilsektion mit Schlaufenstruktur (4) und/oder Gewindestruktur (5) mit axial und tangential orientierten Faserlagen zur Aufnahme metallischer Flanschkomponenten (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass auf einem mehrteiligen Wickelkern, bestehend aus zylindrischer Werkzeugkomponente für die Formgebung der zylindrischen Bauteilsektion und angesetzten Werkzeugkomponenten für die Formgebung der Schlaufen- (4) und/oder Innengewindestruktur (5) zunächst vorwiegend axial orientierte Faserlagen wickeltechnisch abgelegt und anschließend umlaufend orientierte Faserlagen abgelegt werden, daraufhin der Verbundwerkstoff konsolidiert wird und anschließend der mehrteilige Wickelkern schrittweise aus dem konsolidierten Verbundwerkstoff entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die konsolidierte Faserverbundstruktur etwa im Bereich einer Kappe (15) für die Faserumlenkung, die Bestandteil des mehrteiligen Wickelkerns ist, zur Entnahme des Wickelkerns getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wickelkern-Gewindesegment (13) nach der Konsolidierung herausgeschraubt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Entnahme des mehrteiligen Wickelkerns zunächst die Flanschkomponente (2) zur Schlaufenanbindung gewindeseitig in das Faserverbund-Zylinderrohr (1) eingeführt und durch Montageelemente (17, 18) axial gesichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschkomponente (3) nach der Montage der Flanschkomponente (2) für die Schlaufenanbindung eingeschraubt und gegen Verdrehen gesichert wird.