DE19649133C1

DE19649133C1 - Hydraulic cylinder

Info

Publication number: DE19649133C1
Application number: DE1996149133
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Ing Bachmann; Wolfgang Dipl Ing Zankl
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: BACHMANN, ANDREAS, 88677 MARKDORF, DE ZANKL, WOLFG
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 1996-11-27
Publication date: 1998-03-05
Anticipated expiration: 2016-11-28

Abstract

The hydraulic cylinder has a metal inner tube (1) and an outer structure (2,3) reinforced with carbon fibre. The surface of the inner tube is made undulating at both ends of the cylinder. There are axial carbon fibre layers connected positively to the inner tube. At least in the region of the troughs (8) of the undulations in the inner tube, the axial carbon fibre layers are bandaged with carbon fibre layers (3) running circumferentially. The undulation valleys may be formed so that all the axial carbon fibre layers grip positively in them.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hydraulik-Zylinder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a hydraulic cylinder according to the preamble of Claim 1.

Hydraulikzylinder werden üblicherweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl, hergestellt.Hydraulic cylinders are usually made of a metallic material, especially steel.

In jüngster Zeit sind jedoch auch Hydraulikzylinder aus einem metallischen Innenrohr und einer kohlenfaserverstärkten Außenstruktur bekannt geworden (W. Hufenbach et al.: Quantensprung in Sicht, Hydraulikzylinder in Ultra-Leicht bauweise, in Fluid, April 1996, Seiten 21 bis 25 und EP 701 065 A2).Recently, however, hydraulic cylinders have also been made from a metallic one Inner tube and a carbon fiber reinforced outer structure become known (W. Hufenbach et al .: Quantum leap in sight, hydraulic cylinders in ultra-light construction, in Fluid, April 1996, pages 21 to 25 and EP 701 065 A2).

Die Zugkräfte zwischen den Flanschen eines Hydraulik-Zylinders sind im allge meinen sehr hoch und entsprechen dem Produkt aus projizierter Flanschfläche mit dem hydraulischen Spitzendruck. Sie werden entweder durch große Zylin derwandstärken oder - wie im Falle der obengenannten Literaturstelle Hufen bach et al. - durch außenliegende Zugstangen aufgefangen. Nachteilig an die sen Ausführungen ist, daß die Maßnahmen zur Aufnahme der axialen Zugkräfte zu einem erhöhten Gesamtgewicht führen.The tensile forces between the flanges of a hydraulic cylinder are general mean very high and correspond to the product of the projected flange surface with the hydraulic peak pressure. You will either be through great zylin wall thicknesses or - as in the case of the above-mentioned reference Hufen Bach et al. - caught by external tie rods. A disadvantage of that Sen versions is that the measures to absorb the axial tensile forces lead to an increased total weight.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hydraulik-Zylinder zu schaffen, der zur Auf nahme hoher axialer Zugspannungen geeignet ist, und gegenüber den be kannten Vorrichtungen eine geringeres Gewicht aufweist.The object of the invention is to provide a hydraulic cylinder, the on Taking high axial tensile stress is suitable, and compared to the be known devices has a lower weight.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved with the subject matter of claim 1. Beneficial Comments are the subject of subclaims.

Erfindungsgemäß umfaßt der Hydraulik-Zylinder auf einem metallischen Innen rohr eine kohlenfaserverstärkte Außenstruktur. Dabei ist der Innenrohrmantel an den Zylinderendbereichen wellenförmig ausgebildet. Mit dem Innenrohr formschlüssig verbunden sind axiale Kohlenstoff-Faserlagen. Die axialen C-Faserlagen sind zumindest im Bereich der Wellentäler der wellenförmigen Innenrohrmantelbereiche mittels C-Faserlagen, die in Umfangsrichtung verlau fen, bandagiert.According to the invention, the hydraulic cylinder comprises a metallic interior tube a carbon fiber reinforced outer structure. Here is the inner tube jacket wave-shaped at the cylinder end regions. With the inner tube Axial carbon fiber layers are positively connected. The axial C-fiber layers are at least in the region of the troughs of the undulating Inner tube jacket areas by means of C-fiber layers that run in the circumferential direction fen, bandaged.

Durch den beschriebenen Formschluß von Innenrohr und axialen C-Faser lagen bei wellenförmigem Innenrohrmantel tragen alle, d. h. auch die äußeren axialen Fasern zur Kraftübertragung zwischen metallischem Innenrohr und axi alen Faserlagen bei. Ohne diese Maßnahme würden die äußeren Schichten nur im Rahmen der relativ geringen zulässigen Schubspannung des Harz systems zur Kraftübertragung beitragen.Due to the described positive locking of the inner tube and axial C-fiber with a corrugated inner tube jacket all wear, d. H. also the outer ones axial fibers for power transmission between the metallic inner tube and axi alen fiber layers. Without this measure, the outer layers would only within the relatively low permissible shear stress of the resin systems contribute to power transmission.

Die äußeren, in Umfangsrichtung verlaufenden C-Fasern, dienen dazu, die axi alen Fasern in die Wellentäler des Innenrohrmantels zu zwingen, und um zu verhindern, daß sich die axialen Fasern unter Zug wieder strecken. Durch diese Bandage bleibt der Formschluß und damit die hohe Zugkraftübertragung auch bei starken Temperaturschwankungen und Zugkräften erhalten. The outer, circumferential C-fibers serve the axi to force alen fibers into the troughs of the inner tube jacket, and to prevent the axial fibers from stretching again under tension. Through this Bandage remains the form fit and thus the high traction transmission with strong temperature fluctuations and tensile forces.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine wesentliche Gewichtser sparnis erreicht. Die Wandstärke des Innenrohrs kann sehr gering gehalten werden. Es dient im wesentlichen nur noch zur Abdichtung des Hydraulikzylin ders. Zugstangen werden nicht benötigt.The measures according to the invention become a significant weight savings achieved. The wall thickness of the inner tube can be kept very low will. It essentially only serves to seal the hydraulic cylinder ders. Tie rods are not required.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden als Materialien für das Innenrohr Aluminium, Titan oder Invar-Stahl verwendet. Titan hat gegenüber Aluminium den Vorteil, daß aufgrund seines niedrigeren thermischen Ausdeh nungskoeffizienten thermische Spannungen vermieden werden.In a preferred embodiment of the invention, materials for the Inner tube aluminum, titanium or Invar steel used. Titan has opposite Aluminum has the advantage that due to its lower thermal expansion coefficient of thermal stresses can be avoided.

Die Erfindung wird anhand zweier Fig. näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to two figures. Show it:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Hydraulik-Zylinder, Fig. 1 shows a hydraulic cylinder according to the invention,

Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1. FIG. 2 shows a detail from FIG. 1.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder. Er umfaßt ein metalli sches Innenrohr 1, dessen Mantel an den Zylinderendbereichen Eindrehungen aufweist, so daß sich eine wellenförmiger Querschnitt mit Wellentälern 8 und Wellenbergen 9 ergibt. Benachbart zum Innenrohr 1 sind axial verlaufende Faserlagen 2 formschlüssig angeordnet, so daß sich im Bereich der Eindrehun gen ein entsprechender wellenförmiger Verlauf der Fasern 2 ergibt. Die axialen C-Fasern 2 nehmen die Zugkräfte zwischen den an den Zylinderenden ange ordneten Flanschen (in der Fig. nicht dargestellt) auf. Fig. 1 shows a hydraulic cylinder according to the invention. It comprises a metallic inner tube 1 , the jacket of which has indentations at the cylinder end regions, so that there is a wave-shaped cross section with wave troughs 8 and wave crests 9 . Axially extending fiber layers 2 are arranged in a form-fitting manner adjacent to the inner tube 1 , so that there is a corresponding undulating course of the fibers 2 in the region of the twists and turns. The axial C-fibers 2 absorb the tensile forces between the flanges arranged at the cylinder ends (not shown in the figure).

Einzige Anforderung an die konkrete Wellenform der Innenrohrmantelfläche ist, daß diese so ausgebildet sein muß, daß ein Formschluß zwischen axialer Faser 2 und Innenrohr 1 möglich ist. Alle Fasern müssen einen Verlauf im wesent lichen parallel zur Mantelfläche des Innenrohrs 1 aufweisen. Dann tragen sämt liche Fasern 2 zur Kraftübertragung bei. Nicht ausreichend ist dagegen eine bloße Rändelung oder Aufrauhung der Oberfläche, denn hier tragen nur die Fa sern zur Kraftübertragung bei, die innerhalb der Vertiefungen oder Rillen liegen.The only requirement for the specific waveform of the inner tube surface is that it must be designed so that a positive connection between the axial fiber 2 and inner tube 1 is possible. All fibers must have a course in wesent union parallel to the outer surface of the inner tube 1 . Then all Liche fibers 2 contribute to power transmission. On the other hand, mere knurling or roughening of the surface is not sufficient, because only the fibers that lie within the recesses or grooves contribute to the power transmission.

Im Bereich der Wellentäler 8 sind die axialen Fasern 2 durch äußere Umfangs lagen 3 bandagiert. Sie dienen dazu, die axialen Fasern 2 in die Eindrehungen zu zwingen und um zu verhindern, daß sich die Längsfasern 2 unter Zug wieder strecken. Um nach außen einen gleichmäßigen Abschluß zu bilden, sind in der gezeigten Ausführung zusätzlich Umfangslagen 3 auch im Bereich der Wellen berge 9 vorhanden.In the area of the troughs 8 , the axial fibers 2 were bandaged by the outer circumference 3 . They serve to force the axial fibers 2 into the twists and to prevent the longitudinal fibers 2 from stretching again under tension. In order to form a uniform finish to the outside, in the embodiment shown, circumferential layers 3 are also present in the region of the mountains 9 .

Für die axialen und in Umfangsrichtung ausgerichteten Faserlagen können ver schiedene oder auch identische Fasertypen verwendet werden. In der gezeig ten Ausführung wurden sowohl in axialer Richtung wie auch in Umfangsrich tung Fasern vom Typ T800 verwendet.For the axial and circumferential fiber layers ver different or identical fiber types can be used. In the shown th execution were both in the axial direction and in the circumferential direction T800 fibers are used.

C-Fasern in Umfangsrichtung 3 sind darüberhinaus auch außerhalb der Zylin derendbereiche, also dort, wo der Innenrohrmantel keine wellenförmigen Be reiche aufweist, vorhanden. Sie nehmen den Kesseldruck des Hydraulikzylin ders auf und können innerhalb und/oder außerhalb der axialen Fasern angeord net sein. Um die hydraulischen Druckspitzen aufzufangen, wird bevorzugt eine Faser mit geringem E-Modul und hoher Reisfestigkeit gewählt. Das Harz system, z. B. ein kaltaushärtendes Epoxidharz, wird entsprechend der zu erwar tenden Betriebstemperatur des Zylinders gewählt.C fibers in the circumferential direction 3 are also outside of the Zylin end areas, that is, where the inner tube jacket has no wavy Be rich, available. They take up the boiler pressure of the hydraulic cylinder and can be arranged inside and / or outside the axial fibers. In order to absorb the hydraulic pressure peaks, a fiber with a low modulus of elasticity and high resistance to rice is preferably chosen. The resin system, e.g. B. a cold curing epoxy resin is chosen according to the expected operating temperature of the cylinder.

Das Innenrohr besteht bevorzugt aus Titan und weist außerhalb der Zylinder endbereiche, wo der Innenrohrmantel keinen wellenförmigen Verlauf aufweist, zum Beispiel eine Wanddicke von ca. 0,5 mm auf. The inner tube is preferably made of titanium and has outside the cylinder end areas where the inner tube jacket has no undulating course, for example, a wall thickness of approx. 0.5 mm.

Um einen wiederlösbaren Verbund mit den Flanschen zu erreichen, ist in der Bohrung des metallischen Innenrohrs 1 ein Feingewinde 10 vorhanden.In order to achieve a releasable connection with the flanges, a fine thread 10 is present in the bore of the metallic inner tube 1 .

Claims

1. Hydraulic cylinder with a metallic inner tube ( 1 ) and carbon fiber reinforced outer structure ( 2 , 3 ), characterized in that

- The jacket of the inner tube ( 1 ) at both ends of the cylinder has radial rotations, which in the axial direction form a wavy cross section with troughs ( 8 ) and crests ( 9 ),
- there are axial C-fiber layers ( 2 ) which are positively connected to the corrugated areas of the inner tube ( 1 ),
- The axial C-fiber layers ( 2 ) through C-fiber layers ( 3 ) are bandaged in the circumferential direction at least in the region of the troughs ( 8 ) of the undulating inner tubular jacket regions.

2. Hydraulic cylinder according to claim 1, characterized in that the troughs ( 8 ) are designed so that all axial C-fiber layers ( 2 ) engage in a form-fitting manner.

3. Hydraulic cylinder according to claim 1 or 2, characterized in that the inner tube ( 1 ) consists of aluminum.

4. Hydraulic cylinder according to claim 1 or 2, characterized in that the inner tube ( 1 ) consists of titanium.

5. Hydraulic cylinder according to claim 1 or 2, characterized in that the inner tube ( 1 ) consists of Invar steel.

6. Hydraulic cylinder according to claim 1 or 2, characterized in that on the inner tube ( 1 ) a thread ( 10 ) is present to enable a releasable connection to a flange.