Die Erfindung bezieht sich auf ein Zylinderrohr für einen Hydraulik oder Pneumatikzylinder.
Bei Hydraulik- und Pneumatikzylindern gibt es schon lange Bestrebungen, faserverstärkte Kunststoffe (FKV) einzusetzen, um das Bauteilgewicht zu reduzieren. Nachteil der faserverstärkten Kunststoffe ist, dass sie als Material für die Laufflächen der Zylinder nicht geeignet sind. Zur Lösung dieses Problems gibt es im Stand der Technik verschiedene Ansätze.
Beispielsweise wird in der DE 196 49 133 C1 ein Zylinderrohr für einen Arbeitszylinder vorgeschlagen, der ein metallisches Innenrohr und eine kohlenstofffaserverstärkte Außenstruktur aufweist. Innenrohr und Außenstruktur sind durch wellenförmige Bereiche der Mantelfläche des Innenrohres verbunden. Nachteilig hält sich die Gewichtsersparnis aufgrund des massiven metallischen Innenrohres in Grenzen, so dass in Frage steht, ob der fertigungstechnische Aufwand zur Verbindung von Innenrohr und Außenstruktur gerechtfertigt ist.
Die DE 103 13 477 B3 hat die Aufgabenstellung, ein Zylinderrohr für einen Arbeitszylinder vorzuschlagen, das bei hoher Steifigkeit und geringem Gewicht über gute Gleiteigenschaften verfügt. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Innenrohr aus thermoplastischem Kunststoff und ein koaxial dazu angeordnetes Außenrohr aus faserverstärktem thermoplastischem Kunststoff, die durch eine Zwischenschicht verbunden sind. Die Zwischenschicht ist elektrisch leitfähig und dadurch erwärmbar, so dass eine Verschmelzung von Innen- und Außenrohr erreicht werden kann. Nachteilig sind die tribologischen Eigenschaften des Innenrohres aus thermoplastischem Kunststoff für viele Anwendungen nicht ausreichend standfest. Zudem sind der technologische Aufwand und damit die Fertigungskosten sehr hoch.
Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Zylinderrohr für einen Hydraulik- oder Pneumatikzylinder vorzuschlagen, das ein geringes Gewicht und sehr gute tribologische Eigenschaften aufweist sowie einfach und kostengünstig herzustellen ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung gelöst durch ein Zylinderrohr nach Anspruch 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Zylinderrohr für einen Hydraulik- oder Pneumatikzylinder hat ein lasttragendes Außenrohr aus faserverstärktem Kunststoff und einen inneren metalischen Liner mit vergleichsweise geringerer Wandstärke. Das Außenrohr und der Liner sind dabei durch eine schubweiche Zwischenschicht verbunden. Der metallische Liner gibt dem Zylinderrohr auf der Innenseite sehr gute tribologische Eigenschaften in Verbindung mit einer sehr guten Standzeit. Zudem hat der Liner durch die sehr geringe Wandstärke ein geringes Gewicht. Der Liner ist dabei bevorzugt nicht eigenstabil, um Gewicht zu sparen. Vorteilhaft kann die schubweiche Zwischenschicht bei Temperaturschwankungen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von metallischem Liner und dem Außenrohr aus FKV ausgleichen. So hat beispielsweise Stahl einen Wärmausdehnungskoeffizienten von 11,3 x 10-6 x K-1, während kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) bei einem quasi-isotropen Laminataufbau durch unidirektional kohlenstofffaserverstärkte Einzelschichten einen Koeffizienten von 2,65 x 10-6 x K-1 aufweist. Eine unidirektional verstärkte CFK-Einzelschicht hat in Faserrichtung einen Koeffizienten von -0,5 x 10-6 x K-1 und senkrecht zur Faserrichtung von 43,0 x 10-6 x K-1. Erkennbar ist der große Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten, der bei Temperaturschwankungen zu einer erheblichen Längendifferenz von Liner und Außenrohr führt. Dieser würde ohne die schubweiche Zwischenschicht zum Lösen der Verbindung zwischen FKV-Außenrohr und metallischem Liner führen.
Ein weiterer Vorteil der schubweichen Zwischenschicht besteht in deren deutlich höherer Dämpfung. Somit können Schwingungen im Betrieb durch die strukturinhärente hohe Dämpfung deutlich reduziert werden.
Bevorzugt besteht die Zwischenschicht aus Elastomeren, etwa aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM). Elastomere weisen extrem hohe Bruchdehnungen von bis zu mehreren 100 % auf und können damit die verschiedenen Wärmedehnungen zwischen dem FKV-Außenrohr und dem inneren metallischen Liner hervorragend überbrücken. Darüber hinaus weisen viele Elastomere im Hinblick auf die Anwendung eine ausreichende thermische Beständigkeit auf. So etwa haben EPDM-Elastomere gewöhnlich einen Dauereinsatztemperaturbereich von -40°C bis +90°C. Darüber hinaus weist EPDM eine sehr gute Alterungsbeständigkeit bei UV- bzw. Ozon-Belastung auf.
Weiterhin bevorzugt besteht die Zwischenschicht aus thermoplastischen Elastomeren (TPE), welche die Verarbeitungsvorteile der Thermoplaste mit den Werkstoffeigenschaften der Elastomere verbinden. Im Unterschied zu reinen Elastomeren können TPE aufgeschmolzen werden und ermöglichen dadurch eine einfache Herstellung der Zwischenschicht.
Aus der Gruppe der TPE eignen sich etwa thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis (TPU) oder auf Olefinbasis (TPO). Darüber hinaus eignen sich auch thermoplastische Copolyester (TPC) oder Styrol-Blockpolymeren (TPS) aus der Gruppe der TPE.
Weiterhin besteht das Außenrohr bevorzugt aus mehreren Schichten faserverstärktem Kunststoff. Vorteilhaft können so die strukturmechanischen Eigenschaften des Außenrohrs sehr gut an die zu erwartenden Belastungen angepasst werden.
Weiterhin bevorzugt ist der metallische Liner aus Stahl gefertigt ist. Vorteilhaft ist Stahl kostengünstig verfügbar und hat sehr gute tribologische Eigenschaften.
Weiterhin bevorzugt hat der metallische Innenliner eine Wandstärke zwischen 0,1 mm und 1 mm.
Nicht zuletzt hat die Zwischenschicht eine bevorzugte Wandstärke zwischen 0,1 mm und 0,4 mm.
Die erfindungsgemäße Fertigung des Zylinderrohrs, das aus dem FKV-Außenrohr, dem metallischen Liner und der schubweichen Zwischenschicht besteht, kann wie folgt durchgeführt werden. Zuerst erfolgt die Fertigung des dünnwandigen metallischen Liners mithilfe klassischer Herstellungsverfahren für metallische Rohre, wie etwa im Drückwalzverfahren.
Danach erfolgt die Auftragung der schubweichen Zwischenschicht aus Elastomer bzw. TPE auf die Außenseite des dünnwandigen metallischen Liners, wobei gewöhnlich zunächst ein handelsüblicher dünnflüssiger Haftvermittler (Primer) auf die Außenseite des metallischen Liners appliziert wird. Dieser Haftvermittler dient zur Erzielung einer guten Haftfestigkeit zwischen dem metallischen Liner und der schubweichen Zwischenschicht aus Elastomer bzw. TPE. Der dünnwandige Liner kann während des Auftrags des Primers und der schubweichen Zwischenschicht durch einen Stützkern von innen stabilisiert werden. Dieser Stützkern ist dabei bevorzugt ein Metall- oder Kunststoffzylinder, der z. Bsp. in den zylindrischen Liner eingeschoben werden kann und nach dem Auftragen der Zwischenschicht wieder entfernt wird. Als Stützkern kann aber auch der Wickel- bzw. Flechtkern genutzt werden, der später zur Herstellung des FKV-Außenrohrs genutzt wird.
Insbesondere bei Zwischenschichten aus TPE können verschiedene Verarbeitungsverfahren genutzt werden, um die Zwischenschicht aufzubringen. So etwa kann der metallische Liner mit TPE umspritzt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von TPE-Folien, die um den metallischen Liner gewickelt werden und durch kurzzeitige Temperaturerhöhung und anschließende Abkühlung aufgeschmolzen und konsolidiert werden.
Nach der Applikation der schubweichen Zwischenschicht wird der metallische Liner bevorzugt auf einen Wickel- bzw. Flechtkern geschoben, der zur anschließenden Fertigung des FKV-Außenrohrs im Wickel- bzw. Flechtverfahren dient. Dabei wird der metallische Liner mit Zwischenschicht quasi "eingewickelt" bzw. eingeflochten. Das Wickelverfahren erfolgt gewöhnlich mit vorimprägnierten Fasern, sodass keine anschließende Infiltration mit Harz erforderlich ist. Demgegenüber erfolgt das Flechtverfahren im Allgemeinen mit trockenen Fasern, sodass eine anschließende Infiltration in einem geschlossenen Werkzeugsystem erforderlich ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert, dabei zeigen:
- Figur 1
- ein erfindungsgemäßes Zylinderrohr mit Darstellung der einzelnen Schichten,
- Figur 2
- das Zylinderrohr mit Schnittdarstellung dessen Endes mit verschiedenen Temperaturen.
Figur 1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Zylinderrohres 1. Dieses hat ein Außenrohr bestehend aus mehreren Faserlagen 11, mit verschiedenen Faserorientierungen. Die gesamte Wandstärke des durch die Faserlagen 11 gebildeten Außenrohres beträgt 7 mm.
Innenseitig hat das Zylinderrohr 1 einen metallischen Liner 13 aus Edelstahl mit einer Wandstärke von 0,4 mm. Zwischen den Faserlagen 11 und dem metallischen Liner 13 ist eine Zwischenschicht 12 aus thermoplastischem Polyurethan (TPU) mit einer Schichtdicke von 0,2 mm angeordnet. Der Innendurchmesser des Zylinderrohres 1 Di beträgt 85 mm.
Aus dem Zylinderrohr 1 wird ein Leichtbau-Hydraulikaktuator mit einem Kolbenhub von 400 mm und einem Betriebsdruck von 207 bar hergestellt.
Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung in der Schnittebene A-A durch das Zylinderrohr 1, aufweisend einen Innendurchmesser Di und einen Außendurchmesser Da bei verschiedenen Temperaturen. Auf der linken Seite der Schnittdarstellung sind die Faserlagen 11, die Zwischenschicht 12 und der metallische Liner 13 gleich lang. Die Erhöhung der Temperatur resultiert auf der rechten Seite in einer Verlängerung des metallischen Liners 13 um die Längendifferenz 2. Durch die schubweiche Zwischenschicht 12 kann der Dehnungsunterschied mit der Länge 2 ausgeglichen werden, und Faserlagen 11 und metallischer Liner 13 bleiben trotz unterschiedlicher Länge verbunden.
Bezugszeichenliste
- 1
- Zylinderrohr
- 11
- Faserlage
- 12
- Zwischenschicht
- 13
- Metallischer Liner
- 2
- Längendifferenz
- Di
- Innendurchmesser des Zylinderrohres 1
- Da
- Außendurchmesser des Zylinderrohres 1