DE19647506A1 - Kolbenstange für einen Stellkolben eines Stelltriebs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenstange für einen Stellkol­ ben eines Stelltriebs. - Derartige Stelltriebe weisen zumin­ dest einen Druckzylinder auf, in dem zumindest ein Stellkol­ ben mit einer angeschlossenen Kolbenstange geführt ist. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß der Stellkolben eines Stelltriebs auch beidseitig eine erfindungsgemäße Kolben­ stange aufweisen kann. Die Erfindung betrifft vorzugsweise einen Stelltrieb der Hochdruckhydraulik mit in einem Druck­ zylinder geführten Stellkolben, an den eine erfindungsgemäße Kolbenstange angeschlossen ist. Der Druckzylinder eines Stelltriebs ist im allgemeinen mit Abschlußbauteilen verse­ hen, die in den Druckzylinder hineingeschoben und gegen den Druckzylinder abgedichtet sind. Zumindest ein Abschlußbauteil weist eine Bohrung auf, in der die Kolbenstange abgedichtet geführt ist. Die Kolbenstange muß im Betriebszustand der Stelltriebe in der Regel beachtliche Kräfte aufnehmen und insoweit ausreichend zugfest, druckfest und insbesondere knickfest ausgeführt sein.

Eine Kolbenstange mit angeschlossenen Stellkolben eines Stelltriebs, von der die Erfindung ausgeht, ist aus EP 0 239 406 B1 bekannt. Diese Kolbenstange ist innen im wesentlichen hohl ausgeführt und der Hohlraum wird von einer Mehrzahl von aufeinandergesetzten Faserschichten umgeben. Hierbei sind in alternierender Reihenfolge erste Faserschichten mit in axialer Richtung der Kolbenstange orientierten Fasern sowie zweite Faserschichten mit dazu im wesentlichen senkrecht orientierten, den Hohlraum umlaufenden Fasern vorgesehen. Dieser rohrförmige Faserverbund kann innen zum Hohlraum hin und auf seiner Außenoberfläche eine dünne Schutzschicht auf­ weisen, die verhindern soll, daß Hydraulikflüssigkeit in den Faserverbund eindringt. Diese bekannte Kolbenstange weist den Nachteil auf, daß sie bezüglich der Aufnahme sehr hoher Kräfte, insbesondere in einem Stelltrieb der Hochdruckhy­ draulik, nicht ausreichend zugfest und nicht ausreichend sta­ bil gegenüber einer Ausknickung ist. Um nichtsdestoweniger eine annähernd ausreichende Knickfestigkeit der bekannten Kolbenstange im Hinblick auf hohe Drücke und somit hohe Kräfte zu gewährleisten, muß die Kolbenstange einen großen Durchmesser und somit eine Vielzahl von Faserschichten auf­ weisen. Dies macht die bekannte Kolbenstange und den zugeord­ neten Stelltrieb zu einem gewichtsmäßig schweren Aggregat, das im übrigen nur sehr aufwendig herstellbar ist. - Aus der Praxis sind weiterhin Kolbenstangen bekannt, die vollständig aus Stahl bestehen. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Knickfestigkeit bei der Aufnahme hoher Kräfte, insbesondere in Stelltrieben der Hochdruckhydraulik, werden diese bekann­ ten Kolbenstangen mit einem großen Durchmesser gefertigt, so daß sie sich durch ein unerwünscht hohes Gewicht auszeichnen.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Kolbenstange der eingangs genannten Art anzugeben, die im Vergleich zu den bekannten Kolbenstangen ohne störende Ver­ großerung des Durchmessers der Kolbenstange bei Beauf­ schlagung mit hohen Drücken und hohen Kräften eine ausrei­ chende Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und insbesondere Knick­ festigkeit aufweist, so daß störende Gewichtserhöhungen nicht in Kauf genommen werden müssen.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung eine Kolbenstange für einen Stellkolben eines Stelltriebs, wobei die Kolbenstange als Verbundaggregat ausgebildet ist und das Verbundaggregat eine kreiszylindrische metallische Innenstange sowie einen darauf aufgesetzten kreiszylin­ drischen faserverstärkten Kunststoffmantel aufweist und wobei das Verbundaggregat weiterhin einen in Form eines kreiszy­ lindrischen Außenrohres auf den Kunststoffmantel aufgesetzten metallischen Liner aufweist. - Zweckmäßigerweise weist das Verbundaggregat eine hochfeste metallische Innenstange auf. Die metallische Innenstange dient insbesondere zur Aufnahme der auf die Kolbenstange einwirkenden Zugkräfte. Der Ausdruck Liner bedeutet, daß das kreiszylindrische Außenrohr verhältnismäßig dünnwandig ausgeführt ist. Zweckmäßigerweise ist der Liner ein druckgewalztes Edelstahlrohr. Vorzugsweise ist der Liner mit einer Wandstärke < 0,5 mm ausgeführt.

Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung besteht die metallische Innenstange aus einer hochfesten metallischen Legierung, vorzugsweise Stahllegierung. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Innenstange aus Chrom-Molybdän-Stahl besteht. Zweckmäßigerweise weist die Innenstange an ihren Stirnenden jeweils ein Gewinde zum Anschluß des Stellkolbens und/oder eines Gelenkauges auf. Über die Innenstange werden im wesentlichen die im Betriebszustand des Stelltriebes auf­ tretenden Zug- und Druckkräfte in die Kolbenstange eingelei­ tet. - Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht die Dicke des faserverstärkten Kunststoffmantels in radialer Richtung der Kolbenstange zumindest dem halben Durchmesser der Innenstange. Der Fachmann wird in Kenntnis der erfindungsgemäßen Lehre und im Rahmen seines Fachkönnens ohne erfinderisches Zutun und durch einfache Versuche die Dicke des Kunststoffmantels je nach Einsatzart und Einsatzbe­ dingungen des zugeordneten Stelltriebes einrichten. Vorzugs­ weise ist der Kunststoffmantel mit Kohlenstoffasern faser­ verstärkt. Zweckmäßigerweise wird der Kunststoffmantel mit hochmoduligen Kohlenstoffasern faserverstärkt. Nach bevor­ zugter Ausführungsform der Erfindung ist der Kunststoffmantel mit zumindest einer Faserart aus der Gruppe "Kohlenstoffasern, Glasfasern, Metallfasern, Aramidfasern" faserverstärkt. Vorzugsweise sind die Fasern in axialer Rich­ tung der Kolbenstange orientiert.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine gemäß Patentanspruch 1 als Verbundaggregat ausgeführte erfindungs­ gemäße Kolbenstange bei verhältnismäßig geringem Durchmesser beachtliche Zug- und Druckkräfte aufnehmen kann und dabei überraschenderweise eine ausreichend hohe Biegesteifigkeit und damit eine ausreichend hohe Knicksicherheit aufweist. Gegenüber den bekannten Kolbenstangen kann aufgrund des geringen Durchmessers und der erfindungsgemäß in dem Ver­ bundaggregat eingesetzten Materialien eine erhebliche Gewichtsreduzierung bezüglich der Kolbenstange und somit des gesamten Stelltriebs erzielt werden, wobei die Funktions­ sicherheit auch bei der Aufnahme hoher Zug- und Druckkräfte nicht beeinträchtigt ist. Gegenüber einer bekannten Kolben­ stange aus Stahl wird mit einer erfindungsgemäßen Kolben­ stange gleichen Durchmessers eine Gewichtsreduzierung um ungefähr 60% erzielt und zugleich wird überraschenderweise die Knickfestigkeit der erfindungsgemäßen Kolbenstange gegen­ über der Kolbenstange aus Stahl noch um ungefähr 20% erhöht. Im Ergebnis führt die Lehre der Erfindung zu einer Kolben­ stange bzw. zu einem Stelltrieb sehr leichter Bauweise, wobei die Kolbenstange nichtsdestoweniger sehr hohe Drücke und Kräfte aufnehmen kann, ohne daß die Gefahr eines Ausknickens oder Ausbiegens der Kolbenstange besteht. Die erfindungsge­ mäße Kolbenstange kann aufgrund der beachtlichen Gewichtsre­ duzierung besonders vorteilhaft in Stelltrieben der Mobilhy­ draulik, wie beispielsweise für Flugzeuge, Schiffe, Nutz- und Baufahrzeuge, Kräne oder andere Fahrzeuge eingesetzt werden.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolben­ stange. Vorzugsweise wird der faserverstärkte Kunststoffman­ tel auf die Innenstange aufgewickelt, wobei die Innenstange als Wickelkern dient. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist die Innenstange mit sogenannten unidirektiona­ len Prepregs umwickelt. Hierbei handelt es sich um vorim­ prägnierte Faserlagen, in denen Endlosfasern lediglich in einer Richtung orientiert sind. Die Prepregs mit den nur in einer Raumrichtung ausgerichteten Endlosfasern um die metal­ lische Innenstange gewickelt, wobei die Endlosfasern in axialer Richtung der Kolbenstange ausgerichtet werden. Es versteht sich, daß die Breite der Prepregs vor dem Umwickeln auf die Länge der Kolbenstange bzw. der metallischen Innen­ stange abgestimmt wird und die Prepregs entsprechend beschnitten werden. Bei dieser Umwicklung der Innenstange mit den unidirektionalen Prepregs handelt es sich um eine in fer­ tigungstechnischer Hinsicht wenig aufwendige Maßnahme. Die Prepregs können auf einfache Weise bezüglich ihrer Breite auf die Länge der Innenstange abgestimmt werden und anschließend einfach und schnell um die metallische Innenstange gewickelt werden. Bei dieser Ausführungsform können die Fasern auch in einfacher und wenig aufwendiger Weise in axialer Richtung der Kolbenstange ausgerichtet werden. Insbesondere bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenstange, bei der die Innenstange mit den unidirektionalen Prepregs umwickelt ist, wird eine überraschend hohe Biegesteifigkeit und damit eine hohe Knicksicherheit der erfindungsgemäßen Kolbenstange erzielt. Vorzugsweise werden bei dieser Ausführungsform hoch­ modulige Kohlenstoffasern eingesetzt. Hierbei ergibt sich gegenüber einer Kolbenstange aus Stahl mit gleichem Durchmes­ ser für die erfindungsgemäße Kolbenstange ein deutlich höhe­ res Biegeelastizitätsmodul sowie eine deutlich höhere Biege­ steifigkeit und damit Knicksicherheit. - Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Innenstange mit zu Fasersträngen zusammengefaßten Einzelfasern umwickelt, wobei die Fasern in beliebiger Richtung orientiert sind.

Der ausgehärtete Kunststoffmantel wird zweckmäßigerweise vor Aufbringen des metallischen Liners durch Schleifen auf die kreiszylindrische Form gebracht und mit einer glatten Ober­ fläche versehen. Vorzugsweise ist der metallische Liner ent­ weder ein dünnwandiges Stahlrohr mit hartverchromter Außen­ oberfläche oder aber ein hart-festes druckgewalztes Edel­ stahlrohr sehr geringer Rauhtiefe. Die harte und glatte Außenoberfläche hat den Vorteil, daß mit der Außenoberfläche der Kolbenstange in Kontakt stehende Dichtungen nur wenig mechanisch beansprucht werden und ihre Funktionssicherheit somit lange erhalten bleibt. Im Rahmen der Erfindung bestehen verschiedene Möglichkeiten, den metallischen Liner auf den Kunststoffmantel aufzusetzen. Vorzugsweise wird auf den aus­ gehärteten und geschliffenen Kunststoffmantel eine dünne Schicht eines Klebers aufgebracht und anschließend der metal­ lische Liner aufgeschoben, so daß eine reibschlüssige und haftschlüssige Verbindung zwischen metallischem Liner und Kunststoffmantel entsteht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kol­ benstange mit angeschlossenem Stellkolben,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Kolben­ stange.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Kolbenstange 1 mit ange­ schlossenem Stellkolben 2 dargestellt. Die Kolbenstange und der angeschlossene Stellkolben 2 werden üblicherweise in einem nicht dargestellten Druckzylinder geführt. Der Druckzy­ linder weist in der Regel Abschlußbauteile auf, wobei in zumindest einem Abschlußbauteil eine Bohrung vorgesehen ist, in der die Kolbenstange abgedichtet geführt ist.

Erfindungsgemäß und in den Fig. 1 und 2 ist die Kolbenstange 1 als Verbundaggregat ausgebildet, welches Verbundaggregat zunächst eine kreiszylindrische metallische Innenstange 3 aufweist. In Fig. 1 ist erkennbar, daß an den Stirnenden der Innenstange 3 jeweils ein Gewinde 4, 5 für den Anschluß eines Gelenkauges und eines Stellkolbens 2 vorgesehen ist. Im Aus­ führungsbeispiel besteht die Innenstange 3 aus Stahl. In der Fig. 1 ist weiterhin erkennbar, daß der Stellkolben 2 Dich­ tungen 6, 7 aufweist, die einerseits gegen den nicht darge­ stellten Druckzylinder und andererseits gegen die Kolben­ stange 1 abdichten.

Auf die metallische Innenstange 3 ist ein kreiszylindrischer faserverstärkter Kunststoffmantel 8 aufgesetzt. Vorzugsweise und im Ausführungsbeispiel ist der Kunststoffmantel 8 mit Kohlenstoffasern 11 verstärkt, die in axialer Richtung der Kolbenstange 1 ausgerichtet sind und in Fig. 1 nur angedeutet werden. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung und im Ausführungsbeispiel ist die Dicke a des Kunststoffmantels 8 größer als der halbe Durchmesser der Innenstange 3. Dies ist insbesondere in Fig. 2 erkennbar. Bei dieser Ausführungsform wird eine besonders effektive Gewichtsreduzierung der Kolben­ stange 1 bei nichtsdestoweniger sehr hoher Knickfestigkeit erzielt.

Auf den Kunststoffmantel 8 ist ein metallischer Liner 9 in Form eines kreiszylindrischen Außenrohres aufgesetzt. Der metallische Liner 9 ist vorzugsweise als dünnwandiges Stahl­ rohr ausgeführt. Zweckmäßigerweise und im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Kolbenstange an ihrer dem Stellkolben 2 gegenüberliegenden Stirnseite mit einer, vorzugsweise metallischen, Abschlußscheibe 10 versehen.

Es versteht sich, daß der Stellkolben 2 auch beidseitig eine erfindungsgemäße Kolbenstange 1 aufweisen kann, die in ent­ sprechenden Abschlußbauteilen des Druckzylinders geführt wird. Im übrigen können an eine erfindungsgemäße Kolbenstange auch mehrere Stellkolben angeschlossen sein.

Claims (5)

1. Kolbenstange für einen Stellkolben (2) eines Stelltriebs, wobei die Kolbenstange (1) als Verbundaggregat ausgebildet ist und das Verbundaggregat eine kreiszylindrische metal­ lische Innenstange (3) sowie einen darauf aufgesetzten kreis­ zylindrischen faserverstärkten Kunststoffmantel (8) aufweist und wobei das Verbundaggregat weiterhin einen in Form eines kreiszylindrischen Außenrohres auf den Kunststoffmantel (8) aufgesetzten metallischen Liner (9) aufweist.

2. Kolbenstange nach Anspruch 1, wobei die Innenstange (3) aus einer Stahllegierung besteht.

3. Kolbenstange nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Dicke des faserverstärkten Kunststoffmantels (8) in radialer Richtung der Kolbenstange (1) zumindest dem halben Durchmes­ ser der Innenstange (3) entspricht.

4. Kolbenstange nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kunststoffmantel (8) mit Kohlenstoffasern (11) faserverstärkt ist.

5. Kolbenstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fasern des Kunststoffmantels (8) in axialer Richtung der Kol­ benstange (1) orientiert sind.