ZYLINDERROHR FÜR EINEN HYDRAULIK- ODER PNEUMATIKZYLINDER

Beschreibung

[0001] 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 (siehe z.B. das Dokument DE4430502). 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.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] Weiterhin bevorzugt ist der metallische Liner aus Stahl gefertigt ist. Vorteilhaft ist Stahl kostengünstig verfügbar und hat sehr gute tribologische Eigenschaften.

[0013] Weiterhin bevorzugt hat der metallische Innenliner eine Wandstärke zwischen 0,1 mm und 1 mm.

[0014] Nicht zuletzt hat die Zwischenschicht eine bevorzugte Wandstärke zwischen 0,1 mm und 0,4 mm.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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 D_i beträgt 85 mm.

[0022] Aus dem Zylinderrohr 1 wird ein Leichtbau-Hydraulikaktuator mit einem Kolbenhub von 400 mm und einem Betriebsdruck von 207 bar hergestellt.

[0023] Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung in der Schnittebene A-A durch das Zylinderrohr 1, aufweisend einen Innendurchmesser D_i und einen Außendurchmesser D_a 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

[0024] 

1

Zylinderrohr

11

Faserlage

12

Zwischenschicht

13

Metallischer Liner

2

Längendifferenz

D_i

Innendurchmesser des Zylinderrohres 1

D_a

Außendurchmesser des Zylinderrohres 1

Ansprüche

1. Zylinderrohr (1) für einen Hydraulik- oder Pneumatikzylinder aufweisend ein Außenrohr aus faserverstärktem Kunststoff und einen inneren metallischen Liner (13), dadurch gekennzeichnet,
dass metallischer Liner (13) und Außenrohr durch eine schubweiche Zwischenschicht (12) verbunden sind.

2. Zylinderrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) aus Elastomer besteht.

3. Zylinderrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) besteht.

4. Zylinderrohr (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Elastomer (TPE) eine Urethanbasis (TPU) oder Olefinbasis (TPO), auch in vernetztem Zustand (TPV), hat oder ein thermoplastisches Copolyester (TPC) oder ein Styrol-Blockpolymer (TPS) ist.

5. Zylinderrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr mehrere Faserlagen (11) aufweist.

6. Zylinderrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere metallische Liner (13) aus Stahl gefertigt ist.

7. Zylinderrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere metallische Liner (13) eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1 mm hat.

8. Zylinderrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) eine Wandstärke zwischen 0,1 mm und 0,4 mm hat.

9. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderrohres (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bereitstellung eines dünnwandigen metallischen Liners (13),

b) Aufbringen der schubweichen Zwischenschicht (12) auf die Außenseite des metallischen Liners (13),

c) Fertigung des FKV-Außenrohres mittels Wickeln oder Flechten auf die schubweiche Zwischenschicht (12),

d) Konsolidierung des Zylinderrohres (1).

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der schubweichen Zwischenschicht (1) in Schritt b) ein Haftvermittler auf den metallischen Liner (13) aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der schubweichen Zwischenschicht (12) in Schritt b) ein Kern in den metallischen Liner (13) eingebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der schubweichen Zwischenschicht (12) in Schritt b) durch Umspritzen des metallischen Liners (13) mit TPE oder durch Umwickeln des metallischen Liners (13) mit TPE-Folien und anschließende Konsolidierung durch kurzzeitiges Erwärmen erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus Anspruch 10 als Wickel- oder Flechtkern für die Fertigung des FKV-Außenrohres genutzt wird, oder vor der Durchführung des Schrittes c) ein Wickel- oder Flechtkern in den metallischen Liners (13) eingebracht wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigung des FKV-Außenrohres in Schritt c) mittels Wickeln von vorimprägnierten Fasern erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigung des FKV-Außenrohres in Schritt c) mittels Flechten von trockenen Fasern erfolgt und die anschließende Konsolidierung in Schritt d) durch eine Infiltration in einem geschlossenen Werkzeugsystem erfolgt.

Claims

1. Cylindrical tube (1) for a hydraulic or pneumatic cylinder, comprising an outer tube made of fibre-reinforced plastics material and an inner metal liner (13), characterised in that the metal liner (13) and outer tube are connected by a shear-compliant intermediate layer (12).

2. Cylindrical tube (1) according to claim 1, characterised in that the intermediate layer (12) is made of elastomer.

3. Cylindrical tube (1) according to claim 1, characterised in that the intermediate layer (12) is made of a thermoplastic elastomer (TPE).

4. Cylindrical tube (1) according to claim 3, characterised in that the thermoplastic elastomer (TPE) is urethane-based (TPU) or olefin-based (TPO), including in the crosslinked state (TPV), or is a thermoplastic copolyester (TPC) or a styrene block polymer (TPS).

5. Cylindrical tube (1) according to any of the preceding claims, characterised in that the outer tube comprises a plurality of fibre layers (11).

6. Cylindrical tube (1) according to any of the preceding claims, characterised in that the inner metal liner (13) is produced from steel.

7. Cylindrical tube (1) according to any of the preceding claims, characterised in that the inner metal liner (13) has a thickness of between 0.1 mm and 1 mm.

8. Cylindrical tube (1) according to any of the preceding claims, characterised in that the intermediate layer (12) has a wall thickness of between 0.1 mm and 0.4 mm.

9. Method for manufacturing a cylindrical tube (1) according to any of the preceding claims, characterised by the following method steps:

a) providing a thin-walled metal liner (13),

b) applying the shear-compliant intermediate layer (12) to the outside of the metal liner (13),

c) producing the fibre-plastics-composite outer tube by means of winding or braiding onto the shear-compliant intermediate layer (12),

d) consolidating the cylinder tube (1).

10. Method according to claim 9, characterised in that, before the shear-compliant intermediate layer (1) is applied in step b), an adhesion promoter is applied to the metal liner (13).

11. Method according to either claim 9 or claim 10, characterised in that, before the shear-compliant intermediate layer (12) is applied in step b), a core is introduced into the metal liner (13).

12. Method according to any of claims 9 to 11, characterised in that the shear-compliant intermediate layer (12) is applied in step b) by overmoulding the metal liner (13) with TPE or by wrapping the metal liner (13) in TPE films and subsequently consolidating by heating for a short time.

13. Method according to any of claims 9 to 12, characterised in that the core from claim 10 is used as a winding or braiding core for producing the fibre-plastics-composite outer tube, or a winding or braiding core is introduced into the metal liner (13) before step c) is carried out.

14. Method according to any of claims 9 to 13, characterised in that the fibre-plastics-composite outer tube is produced in step c) by winding pre-impregnated fibres.

15. Method according to any of claims 9 to 13, characterised in that the fibre-plastics-composite outer tube is produced in step c) by braiding dry fibres and subsequently consolidated in step d) by infiltration in a closed mould system.

Revendications

1. Tube cylindrique (1) pour un vérin hydraulique ou pneumatique, présentant un tube extérieur en matière plastique renforcée de fibre et une chemise (13) métallique intérieure, caractérisé en ce que
la chemise (13) métallique et le tube extérieur sont raccordés par une couche intermédiaire (12) souple au cisaillement.

2. Tube cylindrique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (12) est composée d'élastomère.

3. Tube cylindrique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chemise (12) est composée d'élastomère thermoplastique (TPE).

4. Tube cylindrique (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élastomère thermoplastique (TPE) a une base uréthane (TPU) ou une base oléfine (TPO), également à l'état réticulé (TPV), ou est un copolyester thermoplastique (TPC) ou un polymère séquencé styrène (TPS).

5. Tube cylindrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube extérieur présente plusieurs couches de fibre (11).

6. Tube cylindrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chemise (13) métallique intérieure est réalisée en acier.

7. Tube cylindrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chemise (13) métallique intérieure a une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 1 mm.

8. Tube cylindrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (12) a une épaisseur de paroi comprise entre 0,1 mm et 0,4 mm.

9. Procédé de fabrication d'un tube cylindrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par les étapes de procédé suivantes :

a) fourniture d'une chemise (13) métallique à paroi mince,

b) application de la couche intermédiaire (12) souple au cisaillement sur le côté extérieur de la chemise (13) métallique,

c) réalisation du tube extérieur en matière plastique renforcée de fibre au moyen de l'enroulement ou du tressage sur la couche intermédiaire (12) souple au cisaillement,

d) consolidation du tube cylindrique (1).

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, avant l'application de la couche intermédiaire (1) souple au cisaillement dans l'étape b), un agent d'adhérence est appliqué sur la chemise (13) métallique.

11. Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que, avant l'application de la couche intermédiaire (12) souple au cisaillement dans l'étape b), un noyau est mis en place dans la chemise (13) métallique.

12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l'application de la couche intermédiaire (12) souple au cisaillement dans l'étape b) s'effectue par la pulvérisation de la chemise (13) métallique avec du TPE, ou par l'enroulement de la chemise (13) métallique avec des feuilles de TPE suivi d'une consolidation par un chauffage de courte durée.

13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le noyau de la revendication 10 est utilisé en tant que noyau d'enroulement ou de tressage pour la réalisation du tube extérieur en matière plastique renforcée de fibre, ou un noyau d'enroulement ou de tressage est mis dans la chemise (13) métallique en place avant la réalisation de l'étape c).

14. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que la réalisation du tube extérieur en matière plastique renforcée de fibre dans l'étape c) s'effectue au moyen de l'enroulement de fibres pré-imprégnées.

15. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que la réalisation du tube extérieur en matière plastique renforcée de fibre dans l'étape c) s'effectue au moyen de tressage de fibres sèches, et la consolidation qui suit dans l'étape d) s'effectue par une infiltration dans un système d'outil fermé.

Zeichnung