Kolbenspeicher

Abstract

 Offenbart ist ein Kolbenspeicher mit einem aus Kunststoff hergestellten Zylinder, in dem ein Kolben geführt ist, der einen Gasraum von einem Druckmittelraum trennt. Stirnseitig sind Endkappen vorgesehen, die über jeweils ein metallisches Verbindungselement mit dem Zylinderrohr verbunden sind.

Beschreibung

[0001] Kolbenspeicher haben in einer Hydroanlage verschiedene Aufgaben, beispielsweise die Energiespeicherung, eine Druckmittelreserve, Dämpfung, Leckölkompensation und Volumenstromkompensation zu erfüllen. Die dazu verwendeten Hydrospeicher können als Blasen-, Kolben- oder Membranspeicher ausgeführt sein. In dem Buch "Der Hydrauliktrainer, Band 1"; 3. Ausgabe, 2004; Bosch Rexroth AG ist im Kapitel 3 ein Kolbenspeicher beschrieben, der im Wesentlichen aus einem Zylinderrohr, zwei stirnseitigen Verschlussdeckeln und einem im Zylinderrohr geführten Kolben besteht. Über letzteren wird ein Gasraum von einem Druckmittelraum getrennt. Üblicherweise wird das Zylinderrohr aus Metall gefertigt und dabei feinstbearbeitet, so dass der Kolben mit minimaler Reibung läuft und zwischen Gas- und Flüssigkeitsraum nur eine geringe Druckdifferenz von ca. 1 bar herrscht. Zur Minimierung der Reibung können die zylinderseitigen Laufflächen mit einer geeigneten Beschichtung versehen werden. Es sind auch Leichtbau-Lösungen bekannt, bei denen die zylinderseitigen Laufflächen durch einen Stahlliner ausgebildet sind, der in den Zylinder eingesetzt wird, so dass der Außenbereich des Zylinders aus einem Faserverbund gewickelt werden kann. Derartige Lösungen sind sehr aufwendig in der Fertigung und entsprechend teuer.

[0002] Nachteilig bei derartigen Kolbenspeichern ist, dass diese ein sehr hohes Gewicht aufweisen.

[0003] Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen mit geringem Aufwand herstellbaren und leichten Kolbenspeicher zu schaffen.

[0004] Diese Aufgabe wird durch einen Kolbenspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0005] Erfindungsgemäß hat der Kolbenspeicher ein Zylinderrohr, in dem ein Kolben geführt ist, der einen Gasraum von einem Druckmittelraum unterteilt. Das Zylinderrohr ist stirnseitig von jeweils einer Endkappe verschlossen. Erfindungsgemäß besteht zumindest das Zylinderrohr aus Faserverbundwerkstoff und ist über ein metallisches Verbindungselement mit der jeweiligen Endkappe verbunden. Die Innenlauffläche wird aus einem tribologisch optimierten Material hergestellt, so dass das Gesamtgewicht des Kolbenspeichers sehr gering ist und trotzdem ein leichtes Laufen und eine zuverlässige Abdichtung des Kolbens ermöglicht ist.

[0006] Die Verbindung zwischen dem aus Kunststoff bestehenden Zylinderrohr und den Endkappen erfolgt über das metallische Verbindungselement, das im Hinblick auf eine hinreichende Festigkeit optimiert ist. Das heißt, bei der erfindungsgemäßen Lösung sind lediglich die hohen Belastungen unterworfenen Bereiche aus metallischem Werkstoff hergestellt, wobei das Kolbenspeichergewicht wesentlich bestimmende Bauelemente, beispielsweise das Zylinderrohr aus leichtem Kunststoff bestehen.

[0007] Bei einer bevorzugten Lösung erstrecken sich die Endabschnitte des Zylinderrohrs über das Verbindungselement hinaus.

[0008] Die Verbindung zwischen dem Zylinderrohr und den jeweiligen Endkappen ist weiter verbessert, wenn das Verbindungselement als Stützring ausgebildet ist, der sich zwischen dem Zylinderrohrendabschnitt und der Endkappe abschnittsweise erstreckt.

[0009] Dabei kann das Stützrohr eine an den Innendurchmesser des Zylinderrohrs angepasste Basis aufweisen, die mit einer konvex ausgewölbten Außenfläche ausgeführt ist, die dann ihrerseits vom Zylinderrohrendabschnitt formschlüssig umgriffen ist, wobei der Stützring auf dem Außenumfang der Endkappe aufsitzt.

[0010] Dabei wird es bevorzugt, in der Basis des Stützrings eine Ausnehmung zum abschnittsweise Aufnehmen eines Rings auszubilden. An den benachbarten Bereichen der Endkappe und eines Spannrings sind komplementäre Ausnehmungen vorgesehen, die sich gemeinsam zu einer formschlüssigen Aufnahme für den Stützring ergänzen.

[0011] Um das Einsetzen des Stützrings zu ermöglichen, ist dieser Ring geteilt ausgeführt.

[0012] Dabei wird es bevorzugt, den Ring aus metallischem Werkstoff, vorzugsweise aus Stahl herzustellen.

[0013] Der Spannring kann aus Kunststoff hergestellt sein. Bei einer Variante liegt der Spannring an der Basis des Stützrings und an einer Stirnfläche der Endkappe an und ist mit dieser verschraubt, so dass der vorgenannte Ring in Axialrichtung gesichert ist.

[0014] Bei einer alternativen Lösung des Kolbenspeichers ist das Verbindungselement als Gewindehülse ausgeführt, auf die das Zylinderrohr und die Endkappe aufgeschraubt werden. Dabei sind die einander zugeordneten Endabschnitte des Zylinderrohrs und der Endkappe so ausgebildet, dass sie entlang Ringstirnflächen dichtend aneinander liegen.

[0015] Zur Erhöhung der Festigkeit ist das Verbindungselements aus einem metallischen Werkstoff hergestellt.

[0016] Die Druckbelastbarkeit des Kolbenspeichers ist besonders hoch, wenn das Zylinderrohr aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Eine derartige Lösung zeichnet sich auch durch ein minimales Gewicht aus.

[0017] Zur Minimierung der Reibungsverluste kann dieses Zylinderrohr dann mit einer metallischen Beschichtung als Laufschicht ausgeführt werden.

[0018] Der Kolbenspeicher ist besonders kompakt, wenn in einer Endkappe ein Druckmittelanschluss und in der anderen Endkappe ein Gasanschluss ausgebildet ist.

[0019] Zur Festigkeits- und Volumenoptimierung können die dem Kolben zugewandten Stirnflächen der Endkappen konkav ausgeführt werden.

[0020] Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

[0021] Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenspeicher sowie zwei Einzelheiten X, Y dieses Kolbenspeichers;

Figur 2 einen Stützring des Kolbenspeichers gemäß Figur 1;

Figur 3 eine Querschnittdarstellung des Stützrings aus Figur 2; und

Figur 4 eine Detaildarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenspeichers.

[0022] In Figur 1 ist ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Kolbenspeichers 1 gezeigt. Dieser hat ein Zylinderrohr 2, in dem axial verschiebbar ein Kolben 4 geführt ist, so dass der Zylinderinnenraum in einen Druckmittelraum 6 und einen Gasraum 8 unterteilt ist. Das Zylinderrohr 2 ist stirnseitig durch jeweils eine Endkappe 10, 12 geschlossen, wobei in der letztgenannten Endkappe 12 ein Druckmittelanschluss 14 und in der erstgenannten Endkappe 10 ein Gasanschluss 16 ausgebildet ist. Der Kolbenspeicher 1 ist über den Druckmittelanschluss 14 an ein Hydrauliksystem angeschlossen, um beispielsweise hydraulische Energie zu speichern, Druck- oder Volumenschwankungen zu dämpfen oder eine Flüssigkeitsreserve zu bilden. Über den Gasanschluss 16 kann die Gasseite des Kolbenspeichers 1 mit dem Druckgas, beispielsweise Stickstoff, gefüllt und mit Druck beaufschlagt werden.

[0023] Wie der Einzelheit Y entnehmbar ist, sind am Außenumfang des Kolbens 4 zwei umlaufende Nuten 18, 20 ausgebildet, in die jeweils eine Dichtungsanordnung mit einem Abstützring 22, 24 und einem Dichtring 26, 28 angeordnet ist. Diese beiden Dichtungsanordnungen liegen dichtend und mit vergleichsweise geringer Vorspannung an einer Innenumfangswandung 30 des Zylinderrohrs 2 an, so dass der Kolben 4 leichtgängig verstellbar ist und somit Reibungsverluste minimal sind, die beiden Räume 6, 8 jedoch zuverlässig gegeneinander abgedichtet sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Zylinderrohr 2 aus einem Faserverbundwerkstoff, beispielsweise mit Endlosfasern in einer Thermoplast- oder Duroplastmatrix (Epoxid) getränkt. Auf diese Weise lässt sich ein äußerst leichtes Zylinderrohr 2 herstellen, wobei die Materialauswahl im Hinblick auf die Tribologie optimiert ist. Bei besonderen Anwendungen kann die Innenumfangswandung 30 des Zylinderrohrs 2 auch durch eine metallische Beschichtung ausgebildet werden - die Außenumfangsbereiche des Zylinderrohrs 2 sind dann jedoch ebenfalls aus Kunststoff hergestellt. Der Kolben 4 kann aus einem metallischen Werkstoff oder ebenfalls aus Kunststoff hergestellt sein, um das Gewicht weiter zu minimieren. Der Kolben 4 ist als Hohlkolben mit einem Kolbenhemd 5 und einem Kolbenboden 7 ausgeführt.

[0024] Die hochbelasteten stirnseitigen Bereiche mit den Endkappen 10, 12 sind aus einem Metall-/Komposit-Material hergestellt. Details des Aufbaus sind der Einzelheit X entnehmbar.

[0025] Gemäß der Einzelheit X sind die Endkappen 10, 12 in Axialrichtung leicht nach außen gewölbt, so dass sich eine konkave Innenstirnfläche 32 ergibt. An einer zylindrischen Außenumfangswandung 34 der Endkappe 10 ist ein Einstich 36 ausgebildet, in den eine weitere Dichtungsanordnung 38 ausgebildet ist. Entlang dieser Dichtungsanordnung 38 liegt die Endkappe 10 dichtend an der Innenumfangswandung 30 des Zylinderrohrs 2 an. In der Einzelheit X links von der Dichtungsanordnung 38 liegt an der Umfangswandung 34 der Endkappe 10 ein metallischer Stützring 40 an, der sich in Axialrichtung über die Endkappe 10 hinaus erstreckt.

[0026] Einzelheiten dieses Stützrings 40 werden anhand der Figuren 2 und 3 erläutert.

[0027] Erfindungsgemäß ist der Stützring 40 aus Stahl ausgeführt und hat gemäß den Figuren 2 und 3 eine zylindrische Innenumfangsfläche, die eine Basis 42 ausbildet. In dieser Basis ist mittig eine umlaufende Ausnehmung 44 vorgesehen, die im Querschnitt die Form eines Halbkreises mit dem Radius r hat. Im Übergangsbereich zwischen der als Hohlkehle ausgeführten Ausnehmung 44 und dem in Figur 3 linken Teil der Basis 42 (Innenumfangswandung) ist eine Fase 46 vorgesehen, die das Einsetzen des Kolbens 4 mit seinen Dichtungen 26, 28 erleichtert. Gemäß der Einzelheit X verläuft die Basis 42 bündig in Verlängerung mit der Innenumfangswandung 30 des Zylinderrohrs 2. In den Figuren 2 und 3 ist der Stützring 40 um 180° verdreht um seine Hochachse gegenüber der Darstellung in Figur 1 dargestellt.

[0028] Der Stützring 40 wölbt sich weg von der zylinderförmigen Basis 42 radial nach außen aus, so dass sich eine konvex gekrümmte, mittig in Radialrichtung kontinuierlich erweiterte Außenfläche 48 ergibt. Dieser radial vorspringende Teil des Stützrings 40 wird gemäß der Einzelheit X vom benachbarten Endabschnitt 50 des Zylinderrohrs 2 übergriffen - mit anderen Worten gesagt, das Zylinderrohr 2 erstreckt sich in Axialrichtung über den Stützring 40 hinaus. Dabei ist der Endabschnitt 50 gegenüber dem mittigen Führungsbereich für den Kolben 4 in Radialrichtung erweitert, wobei diese Außenkontur in etwa der Form der ausgewölbten Außenfläche 48 des Stützrings 40 entspricht. Dabei liegt der Endabschnitt 50 mit einer Hohlkehle 52 flächig an der Außenfläche 48 des Stützrings 40 an, so dass dieser eingebettet ist und dessen Basis 42 - wie vorstehend erwähnt - bündig zur Innenumfangswandung 30 des Zylinderrohrs 2 verläuft. Demgemäß ist der Stützring 40 in den radial erweiterten Endabschnitt 50 des Zylinderrohrs 2 eingebettet.

[0029] Wie sich insbesondere aus der Einzelheit X ergibt, ist im Eckbereich zwischen der Umfangswandung 34 und einer Stirnfläche 54 der Endkappe 10 eine im Querschnitt kreisabschnittförmige Hohlkehle 56 vorgesehen, deren Radius dem Radius r der Ausnehmung 44 entspricht. Die Hohlkehle 56 verläuft über 90° gekrümmt und läuft tangential in Längsrichtung des Kolbenspeichers aus.

[0030] Im Übergangsbereich zwischen dem Stützring 40 und der Endkappe 10 ist an die Stirnfläche 54 ein Spannring 58 angesetzt, der mit seiner Radialwandung 60 an der Basis 42 (siehe Figuren 2 und 3) des Stützrings 40 und mit seiner Stirnwandung 62 an der Stirnfläche 54 der Endkappe 10 anliegt und über eine Vielzahl von auf einem gemeinsamen Teilkreis liegenden Schrauben 64 mit der Endkappe 10 verbunden ist. Im Eckbereich zwischen der Stirnwandung 62 und der Radialwandung 60 ist an dem Spannring 58 ein weiterer Hohlkehlenabschnitt 66 mit dem Radius r ausgebildet, der sich gemeinsam mit der Hohlkehle 56 der Endkappe 10 und der Ausnehmung 44 des Stützrings 40 zu einer geschlossenen Aufnahme für einen Ring 68 ergibt. Gemäß der Einzelheit X und der Figur 3 erstreckt sich dabei die Ausnehmung 44 etwa um den halben Umfang des Rings 68, während die Hohlkehle 56 mehr als ein Viertel des Umfangs überstreckt und sich entsprechend der Hohlkehlenabschnitt 66 um weniger als ein Viertel des Umfangs erstreckt. Das heißt, die Hohlkehle 56 und die Ausnehmung 44 umgreifen mehr als ¾ des Ringaußenumfangs, so dass dieser formschlüssig aufgenommen ist. Um den Ring 68 einfacher in die Ausnehmung 44 und die Hohlkehle 56 einsetzen zu können, ist dieser geteilt, vorzugsweise dreiteilig ausgeführt. Zur Montage wird zunächst die Endkappe 10 in das Zylinderrohr 2 eingeschoben, und zwar weiter eingeschoben, als es ihrer späteren endgültigen Position entspricht. Anschließend werden die mehreren Teile des Rings 68 in die Ausnehmung 44 des Stützrings 40 eingelegt. Dann wird die Endkappe 10 in ihre endgültige Position zurückgezogen, wobei die Hohlkehle 56 der Endkappe 10 die Teile des Rings 68 aufnimmt. Daraufhin wird dann der Spannring 58 in den Endabschnitt 50 des Zylinderrohrs 2 eingesetzt und über die Schrauben 64 mit der Endkappe 10 verschraubt, wobei dann der mehrteilige Ring 68 vollständig umgriffen ist und die Dichtungsanordnung 38 der Endkappe 10 dichtend an der Innenumfangswandung 30 des Zylinderrohrs 2 anliegt. Der Spannring 58 hat auch Dichtfunktion und verhindert, dass Schmutz in den Bereich des Rings 68 eindringt.

[0031] Wie bereits ausgeführt, besteht das Zylinderrohr 2 aus einem faserverstärkten Kunststoff - vorzugsweise kohlefaserverstärkten Kunststoff -, der Stützring 40 besteht aus Stahl und die Endkappe 10 kann beispielsweise aus Titan oder ebenfalls aus Stahl hergestellt sein. Der Spannring 58 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem hochfesten Kunststoff hergestellt, um das Gewicht weiter zu minimieren. Es zeigte sich, dass durch diese Metall-/Compositkonstruktion eine hinreichende Festigkeit und Dichtigkeit der Bauelemente bei minimalem Gewicht gewährleistet ist.

[0032] Die Befestigung der in Figur 1 rechten gasseitigen Endkappe 10 am Zylinderrohr 2 erfolgt entsprechend, so dass weitere diesbezügliche Einzelheiten entbehrlich sind.

[0033] Der vorbeschriebene Kolbenspeicher 1 zeichnet sich durch ein äußerst geringes Gewicht bei optimaler Festigkeit und vergleichsweise einfacher Herstellbarkeit aus, wobei durch die eingesetzten Endkappen 10, 12 und die sich kontinuierlich auswölbenden Endabschnitte 50 des Zylinderrohrs 2 ein besonders kompakter glattflächiger Aufbau gewährleistet ist.

[0034] Anhand Figur 4 wird ein weiteres, vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Leichtbau-Kolbenspeichers 1 erläutert. Dabei ist in Figur 4 lediglich der Eckbereich zwischen dem Zylinderrohr 2 und einer Endkappe 10 dargestellt. Auch bei dieser Variante ist das Zylinderrohr 2 aus einem faserverstärkten Kunststoff, beispielsweise kohlefaserverstärkten Kunststoff, hergestellt. Die Endkappe 10 kann ebenfalls aus Kunststoff oder aber auch aus Stahl hergestellt werden. Während beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel die Endkappen 10, 12 in das Zylinderrohr 2 eingesetzt werden, ist bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel die Endkappe 10 an das Zylinderrohr 2 angesetzt, wobei beide Bauelemente im Übergangsbereich den gleichen Innendurchmesser aufweisen und entlang von Ringstirnflächen 69, 70 aneinander liegen. Die mechanische Verbindung der beiden Bauelemente erfolgt über eine Gewindehülse 72, deren Innenumfangswandung 74 in Verlängerung der Zylinder-Innenumfangswandung 30 verläuft. Am Außenumfang der Gewindehülse 72 ist ein Außengewinde 76 vorgesehen, das im Gewindeeingriff mit entsprechenden Innengewindeabschnitten 78, 80 des Zylinderrohrs 2 bzw. der Endkappe 10 steht. Wie in Figur 4 weiter angedeutet, sind zwischen der Gewindehülse 72 und der Endkappe 10 oder - nicht gezeigt - dem Zylinderrohr 2 Dichtelemente 82 zur Abdichtung nach außen vorgesehen. Wie des weiteren Figur 4 entnehmbar ist, verlaufen die Außenumfangswandungen 84, 86 des Zylinderrohrs 2 bzw. der Endkappe 10 ebenfalls bündig zueinander, so dass sich gegenüber dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 eine glattflächigere Außenkontur des Kolbenspeichers ergibt. Die Montage dieses Ausführungsbeispiels ist denkbar einfach. So kann beispielsweise die Gewindehülse 72 zunächst in das Zylinderrohr 2 eingeschraubt und - falls erforderlich - mit diesem verklebt werden. Anschließend wird die Endkappe 10 aufgeschraubt, bis die Ringstirnflächen 68, 70 bündig aneinander liegen und die Dichtungsanordnung 82 in ihrer Sollposition angeordnet ist.

[0035] Offenbart ist ein Kolbenspeicher mit einem aus Kunststoff hergestellten Zylinder, in dem ein Kolben geführt ist, der einen Gasraum von einem Druckmittelraum trennt. Stirnseitig sind Endkappen vorgesehen, die über jeweils ein metallisches Verbindungselement mit dem Zylinderrohr verbunden sind.

Ansprüche

1. Kolbenspeicher mit einem Zylinderrohr (2), in dem ein Kolben (4) geführt ist, der einen Gasraum (8) von einem Druckmittelraum (6) trennt, wobei das Zylinderrohr (2) stirnseitig von jeweils einer Endkappe (10, 12) verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderrohr (2) aus Kunststoff besteht und über ein metallisches Verbindungselement (40, 72) mit der jeweiligen Endkappe (10, 12) verbunden ist.

2. Kolbenspeicher nach Patentanspruch 1, wobei sich Endabschnitte (50) des Zylinderrohrs (2) über das Verbindungselement (40) hinauserstrecken.

3. Kolbenspeicher nach Patentanspruch 2, wobei das Verbindungselement ein Stützring (40) ist, der sich zwischen dem Zylinderrohr-Endabschnitt (50) und der Endkappe (10, 12) erstreckt.

4. Kolbenspeicher nach Patentanspruch 3, wobei der Stützring (40) eine an den Innendurchmesser des Zylinderrohrs (2) angepasste Basis (42) sowie eine konvex ausgewölbte Außenfläche (48) aufweist, die vom Zylinderrohr-Endabschnitt (50) formschlüssig umgriffen ist.

5. Kolbenspeicher nach Patentanspruch 4, wobei in der Basis (42) eine Ausnehmung (44) zum abschnittsweise Aufnehmen eines Rings (68) ausgebildet ist, wobei an der Endkappe (10) und an einem Spannring (58) komplementäre Ausnehmungen (56, 66) ausgebildet sind, die sich gemeinsam zu einer formschlüssigen Aufnahme für den Ring (68) ergänzen.

6. Kolbenspeicher nach Patentanspruch 5, wobei der Ring (68) geteilt ist.

7. Kolbenspeicher nach Patentanspruch 5 oder 6, wobei der Ring (68) aus metallischem Werkstoff, vorzugsweise aus Stahl, besteht und/oder der Spannring (58) aus Kunststoff hergestellt ist.

8. Kolbenspeicher nach einem der Patentansprüche 5 bis 7, wobei der Spannring (58) an der Basis (42) des Stützrings (40) und an einer Stirnfläche (54) der Endkappe (10, 12) anliegt und mit dieser verschraubt ist.

9. Kolbenspeicher nach Patentanspruch 1, wobei das Verbindungselement eine Gewindehülse (72), ist, die im Gewindeeingriff mit einem Endabschnitt des Zylinderrohrs (2) und der Endkappe (10, 12) steht.

10. Kolbenspeicher nach Patentanspruch 9, wobei das Zylinderrohr (2) und die Endkappe (10, 12) entlang Ringstirnflächen (69, 70) aneinander anliegen.

11. Kolbenspeicher nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Verbindungselement (40, 72) aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Stahl, besteht.

12. Kolbenspeicher nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Zylinderrohr (2) aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.

13. Kolbenspeicher nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Zylinderrohr (2) metallisch beschichtet ist.

14. Kolbenspeicher nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in einer Endkappe (12) ein Druckmittelanschluss (14) und in der anderen Endkappe (10) ein Gasanschluss (16) vorgesehen ist.

15. Kolbenspeicher nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die zum Kolben (4) weisenden Bodenflächen (32) konkav eingewölbt sind.

Zeichnung