DE3617957A1

DE3617957A1 - Druckakkumulator

Info

Publication number: DE3617957A1
Application number: DE19863617957
Authority: DE
Inventors: Costantino Mailand/Milano Tovagliaro
Original assignee: Magnaghi Oleodinamica SpA
Current assignee: Magnaghi Milano SpA Mailand/milano It
Priority date: 1985-05-30
Filing date: 1986-05-28
Publication date: 1986-12-04
Also published as: GB2176242B; IT1185613B; US4714094A; GB8611365D0; IT8520963A0; FR2582748B1; GB2176242A; FR2582748A1

Description

Bei der Konstruktion von Geräten und Bauteilen für Ventile besteht die grundsätzliche Forderung, höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit bei möglichst geringem Gewicht zu garantieren.

Bei hydraulischen Bordanlagen, die zur Versorgung mehrerer wesentlicher Servogeräte bestimmt sind, wie z.B. Servosteuerungen, Bremsen, Fahrgestellen usw., sind besonders wesentliche Bauteile die Drückakkumulatoren.

Diese Akkumulatoren müssen ein Volumenhydrauliköl aufnehmen, das von einem komprimierten Gas unter Druck gehalten wird, um eine ausreichende Menge öl auch im Falle einer Beschädigung des Kompressors oder eines Teils 4es Versorgungskreises liefern zu können und die Betätigung dieser für Notflugmanöver unerläßlicher Geräte zu ermöglichen.

Bei vielen Projekten wurde festgestellt, daß die Akkumulatoren diejenigen Bauteile.sind, die das Gewicht hydraulischer Anlagen beeinträchtigen. Projektvorschriften sind es auch, die hohe Anforderungen an die strukturelle Sicherheit und die speziellen, im Betrieb auftretenden Beanspruchungen stellen, für die derartige Akkumulatoren dimensioniert sein müssen.

Um das Gewicht derartiger Bauteile zu verringern, ist es möglich, Stahlsorten mit hoher struktureller Festigkeit zu verwenden, jedoch sichern derartige Materialien keine ausreichende Ermüdungs- und Abnutzungsfestigkeit und sind außerdem nur schwer und teuer zu bearbeiten; darüberhinaus führen sie nur zu einer geringen Gewichtseinsparung.

Es ist auch möglich, zusammengesetzte Materialien zu verwenden, jedoch eignen sich diese mit den bekannten Herstellungstechniken nicht für die Konstruktion komplizierter bzw. asymmetrischer Formen, wie dies bei Akkumulatoren gefordert ist. ,

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen ^J Akkumulator zu schaffen, der eine ausreichende Festigkeit bei gleichzeitig wesentlich verringertem Gewicht hat.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Außenansicht eines aus einem einzigen Zylinder bestehenden Akkumulators mit Außenwand und Abschlußkalotte aus mit zusammengesetztem Material verbundenem Metall,

Fig. 2 einen Axialschnitt des Akkumulators der Fig. 1, und

Fig. 3 einen Axialschnitt eines Akkumulators mit

einem inneren Laufrohr und einem Außengehäuse aus zusammengesetztem Material.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, besteht der Akkumulator aus einem zylindrischen Körper 1, der einen Boden 2 hat und in dem ein Kolben 3 läuft, der im zylindrischen δ Körper 1 zwei Kammern 4, 5 zur Aufnahme von Druckgas bzw. öl begrenzt.

Der Boden 2 ist mit zwei Anschlüssen 6, 7 zur Zu- und Ableitung des Öls versehen, und die Kammer 4 hat einen verschließbaren Anschluß 8 zur anfänglichen Druckgaszufuhr.

Der zylindrische Körper 1 besteht aus einem Stahlinnenmantel 9, in Kontakt mit dem der Kolben 2 läuft und der am Boden 2 durch einen Gewindering 10 befestigt ist.

Der zylindrische Körper 1 wird vom Innendruck beansprucht, weshalb die Außenschicht 11 des Innenmantels aus einem Material besteht, das zusammen mit dem Innenmantel 9 insgesamt die notwendige Strukturfestigkeit verleiht und gleichzeitig das Gewicht verringert.

Der Mantel 9 ist so dimensioniert, daß er vorrangig die axialen Beanspruchungen aufnimmt. Der Mantel 9 hat einen hinteren Teil 12 mit größerer Dicke zur Verbindung des Bodens 2 und des Gewinderings 10, und eine vordere Kalotte 13, die den Anschluß 8 trägt. Die Festigkeit gegen radiale Beanspruchungen wird von der Außenschicht 10 sichergestellt, die auch dazu bestimmt ist, einen Teil der axialen Kräfte aufzunehmen.

Die Außenschicht 11 erstreckt sich mit einem gekrümmten Abschnitt 14 über einen Teil der vorderen Kalotte 13; dieser Abschnitt ist einem Teil der Kraft infolge des auf die Kalotte 13 wirkenden Druckes zusammen mit der Kalotte 13 des Mantels 9 ausgesetzt. Diese Kraft resultiert

in einer Beanspruchung der Schicht, die parallel zur Achse des zylindrischen Körpers verläuft.

Das zusammengesetzte Material besteht aus Fasern hoher Zugfestigkeit, die so gerichtet sind, daß ihre Festigkeitseigenschaften optimal genutzt werden und die mit Kunstharzen imprägniert und an dem Mantel 9 befestigt sind.

Fasern, die hierfür am besten geeignet sind, sind solche mit hohem Elastizitätsmodul, um zwischen Außenschicht und Stahlinnenmantel bei auf diese einwirkenden Beanspruchungen übereinstimmende Verformungen zu erreichen. Hierfür geeignete Fasern sind insbesondere Karbonfasern.

Die Anordnung der Fasern muß verschiedene Forderungen erfüllen, wie den Ausgleich der Längs- und Querspannungen und die Möglichkeit, kontinuierliche Fasern entsprechend dem Profil der Wickelfläche anzuordnen, die nicht symmetrisch ist, wie es die Faserwickeltheorie erfordert, da der gekrümmte Teil 14 am einen Ende vorhanden ist, während die Außenschicht am anderen Ende an einem zylindrischen Teil der Oberfläche endet.

Es ist daher erforderlich, daß die axialen Beanspruchungen anteilsmäßig entsprechend auch von der Außenschicht aufgenommen und mit Ausnahme ihres Endes auf den Stahlinnenmantel übertragen werden.

Dies wird durch die Anordnung der Fasern längs nicht geodätischer Linien auf der Oberfläche des Innenmantels 9 erreicht. Dies bedeutet, daß die Fasern, die einer reinen Zugbeanspruchung ausgesetzt sind, längs geodätischer Linien angeordnet werden, wobei diejenigen, die Abscherbe-

anspruchungen aufnehmen müssen, längs Bahnen angeordnet werden, die von den geodätischen Linien verschieden sind. Diese Beanspruchungen müssen auf das Imprägnierharz übertragen werden. Auf diese Weise können die Fasern dennoch einen Teil der axialen Beanspruchungen auch ohne das Vorhandensein einer symmetrischen Struktur in der Außenschicht aufnehmen, da diese Beanspruchungen fortschreitend über das Harz auf den Stahlinnenmantel übertragen werden. Hierzu haben die Fasern der Hauptschicht 11a eine Anordnung, die einen Winkel Alpha,, zweckmäßigerweise von 55° mit der entsprechenden Erzeugenden des zylindrischen Körpers in dem Bereich A1 nahe der Verbindung mit dem Abschnitt 14 bildet. Dieser Winkel entspricht dem Ausgleich der axialen und Umfangsspannungen am zylindrischen Körper.

Dieser Winkel Alpha nimmt fortschreitend bis zu einem Wert Alpha₂ zu, der im Endbereich A2 der verstärkenden Außenschicht im wesentlichen 90° erreicht, in dem er keine axialen Beanspruchungen, sondern nur noch ümfangsbeanspruchungen aushalten muß. Die spiralförmige Wicklung mit variabler Steigung zur Erzielung kontinuierlicher Fasern und zur Änderung des Wicklungs-Winkels hat variable Breite und nimmt vom Bereich A1 zum Bereich A2 zu.

Bei aneinandergrenzenden Windungen ohne Überlagerung beträgt im Falle kontinuierlicher Fasern die Breite S₁ im Bereich A1 0,67 der Breite s„ im Bereich A2 und in einem allgemeinen Querschnitt ergibt sich:

s = s_sin² (Alpha).

Wenn man die Wicklung für den Ausgleich der Spannungen im Bereich A2 dimensioniert, ist eine weitere Wicklung

15 in Fig. 2 erforderlich, die eine Umfangswicklung ist und eine variable Breite hat, die im Bereich A1 maximal und im Bereich A2 Null ist und die somit die ümfangsspannungen ausgleicht, die von der Hauptwicklung nicht aufgenommen werden können.

Der Abschnitt 14 der Außenschicht erstreckt sich auf der Kalotte 13 bis zu einem Durchmesser d.., der vom Winkel der Fasern im Anschlußbereich und dem Durchmesser d des zylindrischen Körpers abhängt. Wenn dieser Winkel 55° beträgt, ist d.. zweckmäßigerweise gleich d sin 55°, d.h. d.,=0,819d.

Eine weitere Ausfuhrungsform ist in Fig. 3 gezeigt, in der ein Akkumulator mit der erforderlichen Struktur dargestellt ist, um den Innendruck auszuhalten, die vollständig aus zusammengesetztem Material hergestellt ist.

Der Akkumulator besteht aus einem Stahlrohr 101, in dem ein Kolben 102 läuft. Am einen Ende ist das Rohr 101 mit einem Boden 103 verbunden, der mit einem Anschluß 104 für die Zufuhr des Öls versehen ist. Außerhalb des Rohrs 101 befindet sich eine Schutzhülle 105, die den gesamten Innendruck aufnimmt.

Die Schutzhülle 105 besteht aus einem Innenmantel 106 aus Metall, zweckmäßigerweise einer Leichtmetallegierung, mit einem verdickten Abschnitt 106 für die Verbindung des Rohrs 101 mit dem Boden 103 durch einen Gewindering 108.

Am gegenüberliegenden Ende 109 ist ein weiterer verdickter Abschnitt vorhanden, der das freie Ende des Akkumulators bildet, in dem ein im Gebrauchszustand verschließbarer

Anschluß 110 für die Zufuhr von Druckgas und ein Ringwulst 111 zum Abstützen des freien Endes des Rohrs ausgebildet sind, das mit öffnungen 113 versehen ist, die c das Innenvolumen des Rohres hinter dem Kolben 102 und das Volumen zwischen der Außenfläche des Rohrs und der Innenwand des Innenmantels 106 verbinden.

Die Dicke der Wand des zylindrischen Abschnittes des Innenmantels 106 ist ziemlich reduziert und leistet keinen wesentlichen Beitrag für die Strukturfestigkeit. Die Beanspruchungen werden von der Außenschicht 112 aufgenommen, die aus zusammengesetztem Material besteht. Dies ermöglicht es, eine wesentliche Gewichtseinsparung der Gesamtanordnung zu erreichen, da das Stahlrohr 101 eine geringe Dicke haben kann, die im wesentlichen die minimal verwirklichbare ist, die mit den Anforderungen der mechanischen Bearbeitung kompatibel sind, wobei die Drücke in seinem Inneren und an seinem Äußeren ausgeglichen sind. Die dem Innendruck ausgesetzte Struktur besteht aus zusammengesetztem Material, das ein besonders geringes Gewicht bei einer Festigkeit üblicher Metallmaterialien hat.

Von besonderem Vorteil ist hierbei die Verwendung eines zusammengesetzten Materials, bei dem als Verstärkungsfasern Aramidfasern (aromatisches Polyamid) verwendet sind, die unter der Handelsbezeichnung "Kevlar" bekannt sind, um für Zugbeanspruchung ein besonders geringes Gewichts/Festigkeits-Verhältnis zu erzielen.

Die Ausbildung des Innenmantels 106 aus zusammengesetztem Material unterliegt geometrischen Begrenzungen bezüglich des maximal zulässigen Durchmessers d₂ am Ende 107 und des minimal zulässigen Durchmessers d₃ am Ende 109.

Bezüglich des Durchmessers d_ beträgt dieser im Falle einer ausgeglichenen Wicklung mit einem Winkel zwischen

den Fasern und der Erzeugenden auf dem zylindrischen Teil von 55° im wesentlichen 0,8d.

Der Durchmesser d_ kann kleiner als der Durchmesser d„

ό

gewählt werden, wenn man die Wicklung der Fasern vom geodätischen Profil abweichend ausbildet und dadurch die Fasern einer Abscherbeanspruchung unterwirft.

Im Verhältnis der Abscherfestigkeit der verwendeten Fasern zu ihrer Zugfestigkeit kann ein minimales Verhältnis a = cU/d^ = 0,6 zugelassen werden. Dieser Wert entspricht einem Winkel Alpha von etwa 30° im Verbindungsbereich der Kalotte 109 und der zylindrischen Fläche. Das Ungleichgewicht der Spannungen aufgrund der Abweichung der Wicklung vom geodätischen Profil wird durch eine zweite Wicklung in Form einer Umfangswicklung ausgeglichen, die die notwendige Widerstandskraft in dem Bereich liefert, in dem die Hauptwicklung einen ungünstigen Richtungsverlauf hat.

- Leerseite -

Claims

KU NKER SCHMITT-MLSON H^FQI- : :"*- · ·**«""- mTENT4NMLTK ··■■ »".--" *.„'".." ElKOl1KW PVTKNT -\TTOR\K\S Vg/BCh K 30 573/7 Magnaghi Oleodinamica S.p.A. Via Carpi, 4 5 I - Mailand Druckakkumulator Patentansprüche

1. Gas/öl-Druckakkumulator mit aus zusammengesetzten Materialien bestehender Tragkonstruktion, insbesondere für hydraulische Ventilkreise,
gekennzeichnet durch einen zylindrischen Körper (1) mit geschlossenen Böden, von denen wenigstens einer aus einer gewölbten Kalotte (13) besteht, und mit einem verschiebbaren Kolben (3), der zwei Kammern (4, 5) begrenzt, von denen die eine Hydrauliköl und die andere Druckgas aufnehmen kann, wobei die einem Innendruck ausgesetzten Wände aus einem Innenmantel (9) aus Metall geringer Dicke bestehen und mit einer Scnicht (11) aus zusammengesetztem Material versehen sind, die aus Fasern hoher Festigkeit besteht, die mit Synthetikharz imprägniert sind, um den Druckbeanspruchungen zu widerstehen, wobei sich die Schicht aus zusammengesetztem Material wenigstens auf eine der Kalotten am Ende des zylindrischen Körpers (1) erstreckt, und die Wicklung der Fasern kontinuierlich und ohne Überlagerungen mit Wicklungswinkeln ausgebildet ist, die von den Winkeln abweichen, die derjenigen Wicklung entsprechen, die die Spannungen auf der Oberfläche des zylindrischen Körpers (1) ausgleicht.

2. Akkumulator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel aus Stahl besteht, der einen daran befestigten hinteren Boden aufweist, der Hydraulikanschlüsse hat, und einen zylindrischen mittleren Abschnitt aufweist, in den der Kolben (3) verschiebbar und abdichtend eingesetzt ist, und der eine vordere, geschlossene Kalotte aufweist, und daß sich auf dem Innenmantel (9) die zusammengesetzte Schicht (11) befindet, die alle oder einen Teil der Druckbeanspruchungen aufnimmt, wobei sich der zylindrische, mittlere Abschnitt über einen Teil der vorderen Kalotte erstreckt und der metallische Innenmantel in dem Bereich eine geringere Dicke aufweist, in dem die Schicht (11) aus zusammengesetztem Material vorhanden ist.

3. Akkumulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (11) aus zusammengesetztem Material eine Hauptlage aus Fasern aufweist, die auf der Oberfläche des zylindrischen Abschnittes einen spiralförmigen Verlauf mit variabler Steigung und eine zusätzliche Lage aus Fasern mit Verlauf in Umfangsrichtung und einer Breite hat, die von dem Verbindungsbereich der Kalotte mit dem zylindrischen Abschnitt zum Endbereich der Schicht (11) aus zusammengesetztem Material auf dem zylindrischen Abschnitt abnimmt.

4. Akkumulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptlage Fasern hat, die mit den Erzeugenden des zylindrischen Abschnittes im Verbindungsbereich mit der Kalotte einen Winkel von im wesentlichen 55° und in ihrem Endbereich von etwa 90° bildet.

5. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schicht (11) aus zusammengesetztem Material auf der Kalotte bis zu einem minimalen Durchmesser gleich dem 0,8-fachen Durchmesser des zylindrischen Abschnittes erstreckt.

6. Akkumulator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der Schicht (11) aus zusammengesetztem Material einen hohen Elastizitätsmodul haben und vorzugsweise Karbonfasern sind.

7. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper (1) ein Innenrohr (101) aus Metall enthält, in dem ein Kolben (102) verschiebbar ist und das eine beabstandete Außenwand (112) mit einem Innenmantel aus Metall hat, die am einen Ende mit einem die Hydraulikanschlüsse des Akkumulators tragenden Boden versehen ist, einen mittleren zylindrischen Abschnitt aufweist und am gegenüberliegenden Ende eine Verschlußkalotte bildet, daß der Verbindungsbereich des Metall-Innenmantels (106) der Außenwand (112) mit dem Boden einen Durchmesser hat, der geringer als der des zylindrischen mittleren Abschnittes und mit diesem durch eine gewölbte Kalotte verbunden ist, und daß der Innenmantel (106) der Außenwand mit einer Lage aus zusammengesetztem Material beschichtet ist, die alle Druckbeanspruchungen aufnimmt und in dem gesamten Bereich, in dem sie mit dem zusammengesetzten Material verbunden ist, eine geringe Dicke hat.

8. Akkumulator nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schicht aus zusammengesetztem Material auf die Verschlußkalotte bis zu einem minimalen Durchmesser gleich dem 0,6-fachen Durchmesser der Außenwand erstreckt.

9. Akkumulator nach Anspruch 7 oder 8,

jQ dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Material Fasern aufweist, die mit den Erzeugenden der zylindrischen Oberfläche der Außenwand im Verbindungsbereich mit der Verschlußkalotte einen Winkel von wesentlich weniger als 55° hat.

10. Akkumulator nach einem der Ansprüche 7 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Innenmantel (106) eine gewölbte Verbindungskalotte zwischen seinem zylindrischen Abschnitt und 2Q dem Verbindungsbereich des Bodens hat und daß sich die Schicht aus zusammengesetztem Material auf der gewölbten Kalotte bis zu einem Durchmesser im wesentlichen gleich dem 0,8-fachen Durchmesser des zylindrischen Abschnittes erstreckt.

11. Akkumulator nach einem der Ansprüche 7 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Metall-Innenmantels (106) eine Leichtmetallegierung ist und in seinem zylindrischen OQ mittleren Abschnitt eine minimale, mit seiner Bearbeitbarkeit kompatible Dicke hat.

12. Akkumulator nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß

ge die Fasern des zusammengesetzten Materials vorzugsweise Aramidharzfasern (aromatisches Polyamid) sind.

13. Akkumulator nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des zusammengesetzten Materials mit Epoxydharz imprägniert sind.