DE4430502C2 - Verwendung eines Verbundaggregates aus einem Liner und einem faserverstärkten Kunststoffrohr als Druckzylinder eines Stelltriebes der Hochdruckhydraulik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Verbundaggrega­ tes aus einem metallischen Liner in Form eines kreiszylin­ drischen Innenrohres und einem darauf aufgesetzten Kunst­ stoffrohr als Druckzylinder eines Stelltriebes der Hoch­ druckhydraulik, der zumindest einen solchen Druckzylinder aufweist, in den ein metallischer Stellkolben mit Kolben­ stange in dem Innenrohr geführt arbeitet. - Bei einem sol­ chen Stelltrieb ist der Druckzylinder im allgemeinen mit Abschlußbauteilen versehen, die in den Druckzylinder hin­ eingeschoben, über Zugstangen gehalten und gegen den Druck­ zylinder abgedichtet sind. Im einfachsten Falle ist eines der Abschlußbauteile ein geschlossenes Bauteil und weist das andere eine Bohrung auf, in der die Kolbenstange abge­ dichtet geführt ist. Der Kolben kann auch beidseitig eine Kolbenstange aufweisen, die in beiden Abschlußbauteilen ge­ führt sind. Im übrigen können in dem Druckzylinder auch mehrere Kolben vorgesehen sein. Es kann sich bei dem Stell­ trieb z. B. um einen einfach oder doppelt wirkenden Stell­ trieb handeln. Der Kolben eines solchen Stelltriebs besitzt im allgemeinen angeformte metallische Kolbenringe oder polymere Gleitbänder, die die Führung bewirken. Zwischen den Kolbenringen kann eine Weichdichtung angeordnet sein. Hochdruck bezeichnet im Rahmen der Erfindung einen hydro­ statischen Druck von über 100 bar, z. B. von 400 bis 500 bar.

Ein bekannter Druckzylinder (US 3 286 737), von dem die Er­ findung ausgeht, besteht aus einem kreiszylindrischen Innenrohr aus Kunststoff, sowie einem darauf aufgesetzten faserverstärkten Kunststoffrohr. In dem Innenrohr ist ein Stellkolben mit Kolbenstange geführt. Der bekannte Druck­ zylinder weist Abschlußbauteile auf, die mit Bundausbil­ dungen über den Druckzylinder vorstehen. Zumindest ein Ab­ schlußbauteil weist eine Bohrung auf, in der die Kolben­ stange geführt ist. Die Zuführung und die Abführung des Druckmittels erfolgt über Kanäle in den Abschlußbauteilen. Die Abschlußbauteile sind mit einem zylindrischen Paßstück in den Druckzylinder eingepaßt. Die Abschlußbauteile sind fernerhin durch Zugstangen verbunden, welche in den Bund­ ausbildungen gehalten sind. Dieser bekannte Druckzylinder soll möglichst weitgehend aus einem Kunststoff gefertigt sein, um insbesondere einen möglichst korrosionsresistenten Druckzylinder zu schaffen. Außerdem, sollen hierdurch Funkenbildungen vermieden werden, die bei Druckzylindern aus metallischen Bauteilen auftreten. Dieser bekannte Druckzylinder weist jedoch den Nachteil auf, daß er nur bis zu bestimmten Drücken einsetzbar ist. Für einen Stelltrieb der Hochdruckhydraulik ist dieser Druckzylinder keinesfalls geeignet. Bei höheren Drücken des Druckmediums würden bei diesem bekannten Druckzylinder Undichtigkeiten resultieren, die den Druckzylinder unbrauchbar machen würden.

Fernerhin ist ein Druckzylinder bekannt (DE 92 07 582 U1), der ein metallisches Innenrohr sowie ein Außenrohr aus Kunststoff aufweist. Es sind Zylinderdeckel aus Kunststoff­ material vorgesehen, die über eine Schnappverbindung oder Rastverbindung oder Schweißverbindung mit dem Kunststoff­ außenrohr verbunden sind. Diese bekannten Druckzylinder werden vornehmlich als pneumatische Arbeitszylinder einge­ setzt. Für hohe hydraulische Drücke sind auch diese Druck­ zylinder nicht geeignet. Bei solchen hohen Drücken würden zwangsläufig Undichtigkeiten resultieren.

Weiterhin ist ein Druckzylinder bekannt (DE 84 33 253 U1), der aus einem dünnen Metallrohr besteht, das von einem faserverstärkten Kunststoffaußenrohr umgeben ist. Auf den Druckzylinder sind Abschlußbauteile in Form von Deckeln aufgesetzt, die an dem Kunststoffaußenrohr festgeklebt sind. Auch dieser Druckzylinder ist für hohe Drücke nicht geeignet. Insbesondere würden die aufgeklebten deckelförmi­ gen Abschlußteile bei solchen höheren Drücken ohne weiteres vom Druckzylinder abgesprengt.

Fernerhin sind aus der Praxis Stelltriebe der Hochdruck­ hydraulik bekannt, bei denen der Druckzylinder ein Bauteil aus Stahl ist, welches eine dem Druck des Hochdruckmittels entsprechende Wanddicke aufweist. Das macht den Stellzylin­ der zu einem gewichtsmäßig schweren Aggregat.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Druckzylinder anzugeben, der einerseits mit geringem Ge­ wicht ausgeführt werden kann und andererseits sehr hohe Drücke eines Hochdruckmittels aufnehmen kann und dabei auf einfache Weise funktionssicher abgedichtet werden kann.

Zur Lösung dieses technischen Problems ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines Verbundaggregates aus einem metallischen Liner in Form eines kreiszylindrischen Innen­ rohres und einem darauf aufgesetzten Kunststoffrohr, als Druckzylinder eines Stelltriebes der Hochdruck­ hydraulik, der zumindest einen solchen Druckzylinder aufweist, in den ein metallischer Stellkolben mit Kol­ benstange in dem Innenrohr geführt arbeitet,
wobei der Druckzylinder metallische Abschlußbauteile auf­ weist, die mit Bundausbildungen über den Druckzylinder vor­ stehen, wobei zumindest ein Abschlußbauteil eine Bohrung aufweist und darin die Kolbenstange geführt ist, wobei die Zuführung sowie die Abführung des Hochdruckmittels über Ka­ näle in den Abschlußbauteilen erfolgt,
wobei die Abschlußbauteile mit einem zylindrischen Paßstück in den Druckzylinder derart eingepaßt sind, daß die Dicht­ wirkung zwischen metallischem Innenrohr und den Abschluß­ bauteilen auch ohne zusätzliche Dichtelemente erreicht wird,
und daß die beiden Abschlußbauteile durch Zugstangen ver­ bunden sind, die in den Bundausbildungen gehalten sind,
und daß das Kunststoffrohr faserverstärkt ausgebildet ist, wobei das Faserverbund-Außenrohr einen hohen Elastizitäts­ modul in Umfangsrichtung aufweist, und durch die Einstel­ lung der Zugkraft der Zustangen im hochdruckmittelfreien Zustand unter geringe Vorspannung gesetzt wird,
und daß durch den Anschluß des Druckzylinders an die Ab­ schlußbauteile und die Einstellung der Zugkraft der Zugstangen keine störenden Verformungen des Druckzylinders auftreten. - Der Ausdruck Liner bedeutet, daß das Innenrohr sehr dünnwandig ausgeführt ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verwen­ dung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.

Stelltriebe, die einen Druckzylinder aus einem metallischen Liner und eine Ummantelung aus faserbewährtem Kunststoff aufweisen, sind bekannt (WO 93/23675 A1). Der metallische Liner und die Ummantelung sind hier nicht als kreiszylin­ drische Rohre ausgeführt. Die Fertigung ist daher aufwen­ dig. Im übrigen sind auch Stelltriebe bekannt, die einen Druckzylinder der aus Innenrohr und Außenrohr aufweisen (WO 91/11319 A1), die beide aus faserbewährtem Kunststoff be­ stehen. Diese Stelltriebe sind für die Hochdruckhydraulik wenig geeignet.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einem Stelltrieb für die Hochdruckhydraulik des beschriebenen Aufbaus der Druckzylinder aus einem dünnwandigen Innenohr und einem faserverstärkten Kunststoffrohr bestehen können, wenn die im Patentanspruch 1 beschriebenen Maßgaben ver­ wirklicht sind und wenn durch den Anschluß des Druckzylin­ ders an die Abschlußbauteile und die Einstellung der Zugstangen beim Druckzylinder keine störenden hochdruckmittelbedingte Verformungen auftreten können. Bei einem erfindungsgemäßen Stelltrieb würde das Hochdruckmittel in dem Außenrohr, wel­ ches mit den Abschlußbauteilen verbunden ist, ohne weiteres in Umfangsrichtung verlaufende Zugkräfte produzieren, wobei das Hochdruckmittel den Durchmesser des Außenrohres ver­ größert. Daraus würde eine Beeinträchtigung der Dichtigkeit zwischen dem Kolben und dem Innenrohr resultieren. Über­ raschenderweise läßt sich diese störende Verformung verhin­ dern, wenn in der beschriebenen Weise ein Faserverbund- Außenrohr mit hohem Elastizitätsmodul in Umfangsrichtung eingesetzt wird. Der Außenmantel steht über die Zuganker unter geringer Vorspannung, wenn das Hochdruckmittel nicht ansteht. Die Vorspannung kann auch ohne einen kraftschlüs­ sigen Verbund zwischen den Abschlußbauteilen und dem Innen­ mantel so eingerichtet werden, daß unter dem Druck des Hochdruckmittels störende Verformungen des Druckzylinders nicht auftreten. Im Rahmen der Erfindung bezeichnet Ver­ bundaggregat aus einem metallischen Liner in Form eines kreiszylindrischen Innenrohres und einem darauf aufgesetz­ ten kunststoffaserverstärkten Kunststoffrohr ein Aggregat aus diesen beiden Bauteilen, gleichgültig, ob das faserver­ stärkte Kunststoffrohr über eine Schrumpfverbindung oder über eine Klebverbindung mit dem metallischen Innenrohr verbunden ist. Im einfachsten Fall kann der Verbund auch dadurch gegeben sein, daß das Außenrohr auf das Innenrohr direkt aufgewickelt ist, wobei die unterschiedlichen Wärme­ dehnungen der beiden Werkstoffe, Metall einerseits und faserverstärkter Kunststoff andererseits, gezielt ausge­ nutzt werden können. Im Ergebnis führt die Lehre der Erfin­ dung zu einem Stelltrieb sehr leichter Bauweise, der nichtsdestoweniger extrem hohe Drücke des Hochdruckmittels aufzunehmen in der Lage ist und entsprechende Stellkräfte produzieren kann. Die nach der Lehre der Erfindung aufge­ bauten Stelltriebe zeichnen sich darüber hinaus durch lange Standzeit aus. Sie sind nichtsdestoweniger als Massen­ artikel einfach zu fertigen. - Im Rahmen der erfindungsge­ mäßen Verwendung nimmt der Druckzylinder druckmittel­ bedingte axiale Kräfte nicht auf. Diese werden aus­ schließlich durch die Zugstange aufgenommen, die eine Verformung in Umfangs- bzw. Radialrichtung nicht behindern. Die über die Zugstangen bewirkte Vorspannung ist gering. Beulende Verformungen des Druckzylinders werden vermieden. Einer störenden Durchmesservergrößerung in Folge des Innen­ druckes wirkt das hochsteife Faserverbundrohr entgegen.

Im Rahmen der Erfindung können die Bundausbildungen als um­ laufender Bund ausgeführt und an die Paßstücke angeformt sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Bundausneh­ mungen als Bundabschnitte auszuführen und an die Paßstücke anzuformen. Je nach der Gestaltung der Bundausbildungen könnte man auch von Flanschen sprechen. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind die Zugstangen als Schraubenbolzen ausgeführt und weisen diese Muttern auf, über die die Zugkraft einstellbar ist. Das faserverstärkte Kunststoffrohr ist im Detail zweckmäßigerweise so ausge­ führt, wie es sich aus den Patentansprüchen 5 bis 8 ergibt.

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

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Stelltrieb, der nach der Lehre der Erfindung aufgebaut ist,

Fig. 2 in gegenüber der Fig. 1 sehr starker Vergrößerung den Ausschnitt A aus dem Gegenstand der Fig. 1 und

Fig. 3 mit den Teilfiguren a und b in weiterer Schemati­ sierung andere Ausführungsformen von nach der Lehre der Erfindung aufgebauten Stelltrieben.

Die in den Figuren dargestellten Stelltriebe sind Stell­ triebe für die Hochdruckhydraulik. Sie besitzen zumindest einen Druckzylinder 1, in dem ein metallischer Stellkolben 2 mit Kolbenstange 3 geführt ist.

Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 2 ent­ nimmt man, daß als Druckzylinder 1 ein Verbundaggregat aus einem metallischen Liner in Form eines kreiszylindrischen Innenrohres 4 und einem darauf aufgesetzten faserverstärkten Kunststoffrohr 5 ausgeführt ist. Das Kunststoffrohr bildet das Außenrohr.

Man erkennt in den Fig. 1 und 2, daß der Druckzylinder 1 metallische Abschlußbauteile 6 aufweist, die mit einem zylindrischen Paßstück 7 in den Druckzylinder 1 eingepaßt und mit diesem abgedichtet verbunden sind. Die Abschluß­ bauteile 6 stehen mit Bundausbildungen 8 über den Druckzylinder vor. Die Anordnung ist so getroffen, daß zumindest ein Abschlußbauteil 6 eine Bohrung 9 aufweist, in der die Kolbenstange 3 geführt ist. Übliche Dichtungen 10 sind vorgesehen. Die Zuführung sowie die Abführung des Hochdruckmittels erfolgt über Kanäle 11 in diesen Abschluß­ bauteilen 6.

Die beiden Abschlußbauteile 6 sind durch Zugstangen 12 verbunden, die in den Bundausbildungen 8 gehalten sind. Sie sind z. B. durch entsprechende Bohrungen 13 hindurch­ geführt. Durch den Anschluß des Druckzylinders 1 an die Abschlußbauteile 6 und durch die Einstellung der Zugkraft der Zugstangen 12 ist der Druckzylinder 1 gegen hoch­ druckmittelbedingte Verformungen stabilisiert. In der Fig. 1 mag der Druckzylinder 1 unter dem Druck eines Hoch­ druckmittels stehen. Man erkennt, daß der Druckzylinder 1 hochdruckmittelbedingte Verformungen nicht aufweist. Das Innenrohr 4 ist im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ein gezogenes Rohr in Form eines Präzisionsrohres mit einer Wanddicke von unter 1 mm. Es wurde aus Maßstabsgründen in Fig. 1 mit einer übertrieben dicken Wanddicke gezeichnet.

Der Stellkolben 2 und/oder die Abschlußbauteile 6 bestehen aus einer Legierung der Gruppe Stahllegierungen, Alumini­ umlegierungen, Magnesiumlegierungen, Aluminium/Magnesiumle­ gierungen. Die Abschlußbauteile 6 mögen mit dem Innenrohr 4 formschlüssig verbunden sein, wie es in der Fig. 1 angedeutet ist. Der Verbund wirkt gleichzeitig abdichtend.

Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind die Bundausbildungen 8 als umlaufender Bund ausgeführt, der im Ausführungsbeispiel flanschartigen Charakter hat. Die Zugstangen 12 sind Schraubenbolzen, die Muttern 14 aufweisen, über die die Zugkraft einstellbar ist. Aus Maßstabsgründen kann der Aufbau des Kunst­ stoffrohres 5 nur angedeutet sein. Er ist im einzelnen so gestaltet, wie es den Patentansprüchen 9 bis 14 entspricht. In der Fig. 3 wurde angedeutet, daß ein nach der Lehre der Erfindung aufgebauter Stelltrieb auch einen Stellkolben 2 mit zwei Kolbenstangen 3 oder zwei Stellkolben 2 aufweisen kann.

Claims (8)

1. Verwendung eines Verbundaggregates aus einem metal­ lischen Liner in Form eines kreiszylindrischen Innenrohres (4) und einem darauf aufgesetzten Kunststoffrohr (5), als Druckzylinder (1) eines Stelltriebes der Hochdruck­ hydraulik, der zumindest einen solchen Druckzylinder (1) aufweist, in den ein metallischer Stellkolben (2) mit Kolbenstange (3) in dem Innenrohr (4) geführt ar­ beitet,
wobei der Druckzylinder (1) metallische Abschlußbauteile (6) aufweist, die mit Bundausbildungen (8) über den Druck­ zylinder (1) vorstehen, wobei zumindest ein Abschlußbauteil (6) eine Bohrung (9) aufweist, und darin die Kolbenstange (3) geführt ist, wobei die Zuführung sowie die Abführung des Hochdruckmittels über Kanäle (11) in den Abschlußbau­ teilen (6) erfolgt,
wobei die Abschlußbauteile (6) mit einem zylindrischen Paß­ stück (7) in den Druckzylinder (1) derart eingepaßt sind, daß die Dichtwirkung zwischen metallischem Innenrohr (4) und den Abschlußbauteilen (6) auch ohne zusätzliche Dicht­ elemente erreicht wird,
und daß die beiden Abschlußbauteile (6) durch Zugstangen (12) verbunden sind, die in den Bundausbildungen (8) gehal­ ten sind, als Druckzylinder eines Stelltriebes der Hochdruck­ hydraulik, der zumindest einen solchen Druckzylinder aufweist, in den ein metallischer Stellkolben mit Kol­ benstange in dem Innenrohr geführt arbeitet,
wobei der Druckzylinder metallische Abschlußbauteile, auf­ weist, die mit Bundausbildungen über den Druckzylinder vor­ stehen, wobei zumindest ein Abschlußbauteil eine Bohrung aufweist und darin die Kolbenstange geführt ist, wobei die Zuführung sowie die Abführung des Hochdruckmittels über Ka­ näle in den Abschlußbauteilen erfolgt,
wobei die Abschlußbauteile mit einem zylindrischen Paßstück in den Druckzylinder derart eingepaßt sind, daß die Dicht­ wirkung zwischen metallischem Innenrohr und den Abschluß­ bauteilen auch ohne zusätzliche Dichtelemente erreicht wird,
und daß die beiden Abschlußbauteile durch Zugstangen ver­ bunden sind, die in den Bundausbildungen gehalten sind,
und daß das Kunststoffrohr faserverstärkt ausgebildet ist, wobei das Faserverbund-Außenrohr ein hohes Elastizitäts­ modul in Umfangsrichtung aufweist, und durch die Einstel­ lung der Zugkraft der Zustangen im hochdruckmittelfreien Zustand unter geringe Vorspannung gesetzt wird,
und daß durch den Anschluß des Druckzylinders an die Ab­ schlußbauteile, und die Einstellung der Zugkraft der Zugstangen keine störenden Verformungen des Druckzylinders
und daß das Kunststoffrohr (5) faserverstärkt ausgebildet ist, wobei das Faserverbund-Außenrohr einen hohen Elastizi­ tätsmodul in Umfangsrichtung aufweist, und durch die Ein­ stellung der Zugkraft der Zugstangen (12) im hochdruck­ mittelfreien Zustand unter geringe Vorspannung gesetzt wird,
und daß durch den Anschluß des Druckzylinders (1) an die Abschlußbauteile (6) und die Einstellung der Zugkraft der Zugstangen (12) keine störenden Verformungen des Druck­ zylinders auftreten.

2. Verwendung nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß das me­ tallische Innenrohr (4) aus einer Legierung der Gruppe "Stahllegierungen, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegie­ rungen, Aluminium/Magnesiumlegierungen", besteht.

3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit der Maßgabe, daß das metallische Innenrohr (4) als gezogenes Rohr (Präzisionsrohr) ausgeführt ist.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit der Maß­ gabe, daß der Stellkolben (2) und/oder die Abschlußbauteile (6) aus einer Legierung der Gruppe "Stahllegierungen, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen, Alu­ minium/Magnesiumlegierungen" bestehen.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit der Maß­ gabe, daß ein glasfaserverstärktes Kunststoffrohr (5) ein­ gesetzt ist.

6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit der Maß­ gabe, daß ein metallfaserverstärktes Kunststoffrohr (5) eingesetzt ist.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit der Maß­ gabe, daß ein kohlenstoffaserverstärktes Kunststoffrohr (5) eingesetzt ist.

8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit der Maßgabe, daß ein aramidfaserverstärktes Kunststoffrohr (5) verwendet wird.