WO2006055997A1 - Zylinder für hochdruckhydraulik - Google Patents

Zylinder für hochdruckhydraulik Download PDF

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Othmar HÖLZL
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HÖLZL, Margit
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    • F15B15/1428—Cylinders
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    • F15B2215/30—Constructional details thereof
    • F15B2215/305—Constructional details thereof characterised by the use of special materials

Definitions

  • the invention relates to a cylinder for high-pressure hydraulics with a cylinder jacket running between a cylinder base and a cylinder head comprising an inner tube and an outer sheath of fiber-reinforced plastic applied to the inner tube.
  • the radial compressive forces are transmitted via the thin-walled inner tube to the fiber-reinforced outer jacket, which absorbs these compressive forces without having to fear a leakage of the cylinder, because the outer sheath made of fiber-reinforced plastic remains free of axial tensile loads.
  • the axial forces caused by the high-pressure hydraulics are absorbed exclusively by the tie rods.
  • a disadvantage of these known cylinders is that the tie rods required for receiving the axial forces do not only increase the construction costs and the cylinder dimensions, but also entail an increase in weight. Presentation of the invention
  • the invention is therefore the object of a cylinder for Hochdruck ⁇ hydraulics of the type described in such a way that can be dispensed with simple structural means on the use of tie rods for receiving the axial forces.
  • the invention solves the problem set by the fact that the screwed with the Zylinderbo ⁇ , with the outer shell shear-resistant connected inner tube of the cylinder jacket tensile strength acts on the cylinder head.
  • the axial forces can be surprisingly absorbed even in a Hoch réellehy ⁇ draulik by the cylinder jacket, if by a shear-resistant connection of the outer sheath made of fiber reinforced plastic with the inner tube corresponding, both in the circumferential direction and in the axial direction effective composite body is created.
  • the outer jacket of the cylinder jacket can be adapted in a simple manner to the respective load requirements. With the elimination of tie rods thus very light pressure cylinders are possible, which can be used despite the lightweight design for high pressure hydraulics.
  • the inner tube may consist of metal, but also of a polyetheretherketone (PEEK) in a manner known per se, because in both cases not only the axial tensile forces in combination with the outer sheath of fiber-reinforced plastic can be absorbed, but also the outer sheath an immediate load is protected by the hydraulic means, so that the strength properties of the fiber-reinforced plastic can not be affected by penetrating into micropores hydraulic fluid.
  • PEEK polyetheretherketone
  • connection conditions for the cylinder jacket to the cylinder bottom arise when the outer sheath made of plastic with the cylinder bottom is shear-resistant and the cylinder bottom overlaps the end, so that the axial introduction of force into the outer sheath aus ⁇ not finally on the shear forces between the inner tube and therelyman ⁇ tel done.
  • the shear-resistant connection between the outer sheath of fiber-reinforced plastic with the inner tube or the cylinder base can be achieved in a simple manner by an adhesive layer.
  • the tensile connection of the cylinder head to the cylinder jacket can be solved in a similar manner as the connection of the cylinder base constructive, but this excludes a subsequent removal of the cylinder head from the cylinder jacket and thus a possible piston expansion.
  • the inner tube of the cylinder jacket on the Zylinderkopf ⁇ side have an end annular flange which is overlapped by a cylinder head provided on the union nut, so that with the help of this Koch ⁇ nut the necessary tensile connection between the inner tube of the cylinder jacket and the cylinder head can be ensured can.
  • the outer sheath of fiber-reinforced plastic extends to the cylinder head side annular flange of the inner tube.
  • the illustrated cylinder has a cylinder bottom 1, a cylinder head 2 and a cylinder extending between cylinder base 1 and cylinder head 2 dermantel 3 on.
  • the cylinder jacket 3 is formed by a composite body made of a thin-walled, metallic inner tube 4 and an outer jacket 5 made of fiber-reinforced plastic that is connected to the inner tube 4 in a shear-resistant manner.
  • carbon fibers are preferably used. The choice of plastic is naturally made depending on the particular load requirements.
  • the inner tube 4 has on the side of the cylinder base 1 a thickened connection portion 6 with a thread 7, by means of which the inner tube 4 is connected in a tensile strength with the cylinder base 1.
  • the inner tube 4 is also provided with a thickened end portion 8, which, however, forms an end-side annular flange 9.
  • This annular flange 9 is overlapped by a screw-mounted on the cylinder head 2 screw nut 10, so that a tensile connection with the cylinder head 2 is made by the nut 10, which can be removed after loosening the nut 10 from the cylinder jacket 3.
  • the outer sheath 5 made of fiber-reinforced plastic extends in the region of the end portion 8 of the inner tube 4 to the annular flange 9 and is therefore enclosed by the union nut 10.
  • the outer shell 5 is extended beyond the thickened end portion 6 out and overlaps the cylinder base 1 frontally, whereby the axial connection of the cylinder jacket 3 is advantageously supported on the cylinder base 1, especially if the outer jacket 5 also with the Cylinder bottom 1 is shear-resistant connected by an adhesive layer.
  • the inner tube 4 may also be made of plastic, namely of a polyetheretherketone. Also in this case, the inner tube 4 is screwed to the Zylin derêt to achieve a secure axial connection. In addition, the inner tube 4 can be glued to the cylinder bottom.
  • the piston 13 with the piston rod 14 may also be made of fiber-reinforced plastic, but this is not mandatory.
  • a metallic coating is recommended in order to improve the sealing conditions for a high-pressure hydraulics.

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Abstract

Es wird ein Zylinder für Hochdruckhydraulik mit einem zwischen einem Zylinderboden (1) und einem Zylinderkopf (2) verlaufenden Zylindermantel (3) aus einem Innenrohr (4) und einem auf das Innenrohr (4) aufgebrachten Außenmantel (5) aus faserverstärkten Kunststoff, beschrieben. Um eine Gewichtsverringerung ohne Festigkeitsverluste zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß das mit dem Zylinderboden (1) verschraubte, mit dem Außenmantel (5) schubfest verbundene Innenrohr (4) des Zylindermantels (3) zugfest am Zylinderkopf (2) angreift.

Description

Zylinder für Hochdruckhydraulik
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinder für Hochdruckhydraulik mit einem zwischen einem Zylinderboden und einem Zylinderkopf verlaufenden Zylinder¬ mantel aus einem Innenrohr und einem auf das Innenrohr aufgebrachten Au¬ ßenmantel aus faserverstärkten Kunststoff.
Stand der Technik
Um die Korrosionsempfindlichkeit metallischer Druckzylinder zu vermeiden und Gewicht einzusparen, ist es bekannt (DE 69 16 307 U), den Zylindermantel zwischen einem Zylinderboden und einem mit dem Zylinderboden über Zugan¬ ker verbundenen Zylinderkopf aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff röhr auszubilden. Diese bekannten Druckzylinder sind jedoch für eine Hochdruck¬ hydraulik mit hydrostatischen Drücken beispielsweise über 200 bar nicht ge¬ eignet. Es wurde daher vorgeschlagen (EP 0 701 065 B1), den Zylindermantel aus einem dünnwandigen, metallischen Innenrohr und einem faserverstärkten Außenmantel herzustellen, der über Zuganker unter einer geringen Vorspan¬ nung steht. Die radialen Druckkräfte werden über das dünnwandige Innenrohr auf den faserverstärkten Außenmantel übertragen, der diese Druckkräfte auf¬ nimmt, ohne ein Undichtwerden des Zylinders befürchten zu müssen, weil der Außenmantel aus faserverstärktem Kunststoff von axialen Zugbelastungen frei bleibt. Die durch die Hochdruckhydraulik bedingten axialen Kräfte werden ausschließlich durch die Zuganker aufgenommen. Nachteilig bei diesen be¬ kannten Zylindern ist, daß die für die Aufnahme der axialen Kräfte erforderli¬ chen Zuganker nicht nur den Bauaufwand und die Zylinderabmessungen ver¬ größern, sondern auch eine Gewichtserhöhung mit sich bringen. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Zylinder für Hochdruck¬ hydraulik der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß mit einfachen konstruktiven Mitteln auf den Einsatz von Zugankern zur Aufnahme der axialen Kräfte verzichtet werden kann.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß das mit dem Zylinderbo¬ den verschraubte, mit dem Außenmantel schubfest verbundene Innenrohr des Zylindermantels zugfest am Zylinderkopf angreift.
Durch das Verschrauben des Innenrohres mit dem Zylinderboden und die zugfeste Verbindung dieses Innenrohres mit dem Zylinderkopf können die auftretenden Axialkräfte in überraschender Weise auch bei einer Hochdruckhy¬ draulik durch den Zylindermantel aufgenommen werden, wenn durch eine schubfeste Verbindung des Außenmantels aus faserverstärktem Kunststoff mit dem Innenrohr ein entsprechender, sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung wirksamer Verbundkörper geschaffen wird. Durch das Vorse¬ hen mehrerer Lagen unterschiedlich ausgerichteter Verstärkungsfasern, vor¬ zugsweise Kohlenstoffasern, kann der Außenmantel des Zylindermantels in einfacher Weise an die jeweiligen Belastungsanforderungen angepaßt werden. Mit dem Wegfall von Zugankern werden somit besonders leichte Druckzylinder möglich, die trotz der leichten Bauweise für eine Hochdruckhydraulik eingesetzt werden können.
Das Innenrohr kann dabei in an sich bekannter Weise aus Metall, aber auch aus einem Polyetheretherketon (PEEK) bestehen, weil in beiden Fällen nicht nur die axialen Zugkräfte im Verbund mit dem Außenmantel aus faserverstärk¬ tem Kunststoff aufgenommen werden können, sondern auch der Außenmantel vor einer unmittelbaren Belastung durch das Hydraulikmittel geschützt wird, so daß die Festigkeitseigenschaften des faserverstärkten Kunststoffes nicht durch in Mikroporen eindringendes Hydraulikmittel beeinträchtigt werden können. Besonders günstige Anbindungsverhältnisse für den Zylindermantel an den Zylinderboden ergeben sich, wenn der Außenmantel aus Kunststoff mit dem Zylinderboden schubfest verbunden wird und den Zylinderboden stirnseitig übergreift, so daß die axiale Kraftein leitung in den Außenmantel nicht aus¬ schließlich über die Schubkräfte zwischen dem Innenrohr und dem Außenman¬ tel erfolgt. Die schubfeste Verbindung zwischen dem Außenmantel aus faser¬ verstärktem Kunststoff mit dem Innenrohr bzw. dem Zylinderboden kann in einfacher Weise durch eine Klebeschicht erreicht werden.
Die zugfeste Anbindung des Zylinderkopfes an den Zylindermantel kann in ähnlicher Weise wie die Anbindung des Zylinderbodens konstruktiv gelöst werden, was jedoch ein nachträgliches Abnehmen des Zylinderkopfes vom Zylindermantel und damit einen möglichen Kolbenausbau ausschließt. Aus diesem Grunde kann das Innenrohr des Zylindermantels auf der Zylinderkopf¬ seite einen stirnseitigen Ringflansch aufweisen, der durch eine am Zylinderkopf vorgesehene Überwurfmutter übergriffen wird, so daß mit Hilfe dieser Über¬ wurfmutter die notwendige zugfeste Verbindung zwischen dem Innenrohr des Zylindermantels und dem Zylinderkopf sichergestellt werden kann. In diesem Fall erstreckt sich der Außenmantel aus faserverstärktem Kunststoff bis zum zylinderkopfseitigen Ringflansch des Innenrohres.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt, und zwar wird ein erfindungsgemäßer Zylinder für Hochdruckhydraulik in einem vereinfachten Längsschnitt gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Der dargestellte Zylinder weist einen Zylinderboden 1 , einen Zylinderkopf 2 sowie einen zwischen Zylinderboden 1 und Zylinderkopf 2 verlaufenden Zylin- dermantel 3 auf. Der Zylindermantel 3 wird durch einen Verbundkörper aus einem dünnwandigen, metallischen Innenrohr 4 und einem mit dem Innenrohr 4 schubfest verbundenen Außenmantel 5 aus faserverstärktem Kunststoff gebil¬ det. Zur Faserverstärkung werden dabei vorzugsweise Kohlenstoffasern einge¬ setzt. Die Auswahl des Kunststoffes erfolgt naturgemäß in Abhängigkeit von den jeweiligen Belastungsanforderungen.
Das Innenrohr 4 weist auf der Seite des Zylinderbodens 1 einen verdickten Anschlußabschnitt 6 mit einem Gewinde 7 auf, mit dessen Hilfe das Innenrohr 4 zugfest mit dem Zylinderboden 1 verbunden ist. Auf der Zylinderkopfseite ist das Innenrohr 4 ebenfalls mit einem verdickten Endabschnitt 8 versehen, der jedoch einen stirnseitigen Ringflansch 9 bildet. Dieser Ringflansch 9 wird von einer auf dem Zylinderkopf 2 schraubverstellbar gelagerten Überwurfmutter 10 übergriffen, so daß durch die Überwurfmutter 10 eine zugfeste Verbindung mit dem Zylinderkopf 2 hergestellt wird, der nach dem Lösen der Überwurfmutter 10 vom Zylindermantel 3 abgenommen werden kann.
Der Außenmantel 5 aus faserverstärktem Kunststoff erstreckt sich im Bereich des Endabschnittes 8 des Innenrohres 4 bis zum Ringflansch 9 und wird daher von der Überwurfmutter 10 umschlossen. Auf der gegenüberliegenden Seite des Innenrohres 4 ist der Außenmantel 5 über den verdickten Endabschnitt 6 hinaus verlängert und übergreift den Zylinderboden 1 stirnseitig, wodurch die axiale Anbindung des Zylindermantels 3 an den Zylinderboden 1 vorteilhaft unterstützt wird, insbesondere dann, wenn der Außenmantel 5 auch mit dem Zylinderboden 1 durch eine Klebeschicht schubfest verbunden wird.
Da die Anschlüsse 11 und 12 für das Hydraulikmittel durch den Zylinderboden 1 und den Zylinderkopf 2 geführt sind, wird die Belastbarkeit des Zylinderman¬ tels 3 durch diese Anschlüsse 11 und 12 nicht beeinträchtigt. Über den Zylin¬ dermantel 3 werden die radialen und axialen Druckkräfte aufgenommen, wobei das metallische Innenrohr 4, das vorzugsweise aus einem korrosionsfesten Stahl besteht, den Außenmantel 5 aus Kunststoff vor einer unmittelbaren BeIa- stung durch das Hydraulikmittel schützt, so daß eine allenfalls vorhandene Mikroporosität des faserverstärkten Kunststoffes zu keiner Festigkeitsein¬ schränkung aufgrund einer unmittelbaren Druckbelastung durch das Hydrau¬ likmittel führt.
Das Innenrohr 4 kann auch aus Kunststoff gefertigt sein, und zwar aus einem Polyetheretherketon. Auch in diesem Fall wird das Innenrohr 4 mit dem Zylin¬ derboden verschraubt, um eine sichere axiale Anbindung zu erreichen. Zusätz¬ lich kann das Innenrohr 4 mit dem Zylinderboden verklebt werden.
Der Kolben 13 mit der Kolbenstange 14 können ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein, was jedoch nicht zwingend ist. Bei der Ausformung der Kolbenstange 14 aus Kunststoff empfiehlt sich allerdings eine metallische Beschichtung, um die Dichtungsbedingungen für eine Hochdruckhydraulik zu verbessern.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Zylinder für Hochdruckhydraulik mit einem zwischen einem Zylinderbo¬ den (1) und einem Zylinderkopf (2) verlaufenden Zylindermantel (3) aus einem Innenrohr (4) und einem auf das Innenrohr (4) aufgebrachten Außenmantel (5) aus faserverstärkten Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Zylinderboden (1) verschraubte, mit dem Außenmantel (5) schubfest verbun¬ dene Innenrohr (4) des Zylindermantels (3) zugfest am Zylinderkopf (2) an¬ greift.
2. Zylinder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr in an sich bekannter Weise aus Metall, vorzugsweise Stahl, besteht.
3. Zylinder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr aus Polyetheretherketon besteht.
4. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der schubfest mit dem Zylinderboden (1) verbundene Außenmantel (5) aus faserverstärktem Kunststoff den Zylinderboden (1) stirnseitig übergreift.
5. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (5) aus faserverstärkten Kunststoff mit dem Innenrohr (4) durch eine Klebeschicht schubfest verbunden ist.
6. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Außenmantel (5) aus faserverstärkten Kunststoff zylinderkopfsei- tig bis zu einem stirnseitigen Ringflansch (9) des Innenrohres (4) erstreckt und daß der Zylinderkopf (2) eine den Ringflansch (9) übergreifende Überwurfmut¬ ter (10) trägt.
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