DE3922577A1 - Druckluftbehaelter aus faserverstaerktem kunststoff sowie verfahren und vorrichtung zu dessen herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckluftbehälter aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Druck­ luft-Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen, sowie auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Herstellung.

Ein bekannter, auf dem Markt angebotener Kunststoff­ behälter besitzt eine zweilagige Wandung. Die innere Lage wird durch einen hohlen Formkörper gebildet, auf den die äußere Lage als kunststoffgetränktes Faserband (roving) aufgewickelt ist. Es ergibt sich ein einstücki­ ger Kunststoffbehälter, bei dem durch spezielle Wickel­ führung auch die Stirnseiten bewickelt und Anschlüsse in der Behälterwand berücksichtigt werden. Der Herstel­ lungsvorgang ist aber aufwendig, erfordert viel Hand­ arbeit und ist daher teuer. Außerdem ergibt sich eine Beschränkung in der konstruktiven Gestaltung, weil die Anschlüsse an den Stirnseiten wegen des Wickelvorgangs in der Wickelachse liegen müssen. Solche Kunststoffbe­ hälter haben gegenüber Stahl- und Aluminiumbehältern den Vorteil, daß keine Korrosion eintritt und daher auch keine Oxidationsprodukte, wie Rost oder Aluminium­ oxid, als Staub in das Bremssystem abwandern können.

Bei Stahlbehältern ist es üblich, eine rechteckige Blech­ platte zu einem Zylinder zu biegen und an einer Längs­ naht zu verschweißen sowie an beiden Seiten durch Tief­ ziehen hergestellte Deckel anzuschweißen. Bei sorgfäl­ tiger Schweißung ist sowohl die Festigkeit des Behälters als auch seine Dichtheit gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kunst­ stoff-Druckluftbehälter der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der bei größerer konstruktiver Freiheit billi­ ger hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen zylindrischen Mittelabschnitt und zwei durch Klebung längs eines Uberlappungsbereichs damit verbundenen Deckeln, wobei die Deckel Preßteile sind und wobei Mit­ telabschnitt und Deckel im Überlappungsbereich einander angepaßte Klebeflächen an mindestens einer Umfangsnut des einen Teils und mindestens einer in diese greifenden Umfangsrippe des anderen Teils aufweisen.

Durch die Dreiteilung in den zylindrischen Mittelab­ schnitt und die beiden Deckel ergibt sich eine große Konstruktionsfreiheit. So kann man mit dem gleichen Deckeltyp, aber unterschiedlich langen Mittelabschnit­ ten Behälter unterschiedlichen Volumens herstellen. Kundenwünsche hinsichtlich der Lage der Anschlüsse kön­ nen durch geringfügige Änderungen am Deckel oder am Mittelabschnitt berücksichtigt werden. Auch ist die Preßformung der Deckel kostengünstig.

Bisher hat man einer Belastung ausgesetzte Kunststoff­ behälter und andere Teile aus faserverstärktem Kunst­ stoff einstückig hergestellt, weil die Verbindungsstel­ len in der Regel weniger belastbar waren als das Mate­ rial selbst. Erfindungsgemäß werden die Baukomponenten an einer durch Umfangsrippen bzw. Umfangsnuten profilier­ ten Fläche miteinander verklebt. Bei einer Klebeverbin­ dung werden in erster Linie die der Klebefläche unmittel­ bar benachbarten Materialabschnitte belastet. Insbeson­ dere bei einem Preßteil, daß durch Einpressen von relativ kurze Fasern enthaltender Preßmasse in eine Preßform erzeugt wird, wo also die Verbindung der Fasern unter­ einander weniger stark ausgeprägt ist als bei einem gewickelten Faserstrang, besteht leicht die Gefahr, daß sich die vom Klebstoff erfaßte oberste Schicht unter Scherbelastung abschert. Diese Gefahr wird noch dadurch verstärkt, daß sich Fasern parallel zur Wandoberfläche ausrichten, wenn sie zusammen mit der übrigen Preßmasse in die Preßform einströmen. Durch die vorgesehene Profi­ lierung wird dafür gesorgt, daß die bei der Druckbe­ lastung des Behälters im Überlappungsbereich auftretenden axial wirkenden Kräfte nicht parallel zu der Schichtung der Fasern verlaufen und daher eine interlaminare Sche­ rung hervorrufen, sondern überwiegend in einem Winkel hierzu. Dies verstärkt die Festigkeit der Klebeverbindung ganz außerordentlich. Versuche haben gezeigt, daß die von der Klebeverbindung zu übertragende Kraft verdoppelt werden kann.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Klebefläche vergrößert wird. Außerdem wird durch die geänderte Span­ nungsverteilung im Überlappungsbereich die Kriechneigung bei Langzeitbeanspruchung erheblich reduziert.

Vorzugsweise ist der Mittelabschnitt ein Wickelteil. Dieser kann auf einem zylindrischen und wiederverwend­ baren Kern in jeder beliebigen Länge gewickelt oder sogar als Meterware hergestellt und dann in der gewünsch­ ten Länge abgeschnitten werden. Dies ist ein billiges Verfahren, das sogar vollautomatisch durchgeführt werden kann.

Vorzugsweise folgen im Längsschnitt mehrere Rippen- bzw. Nutenquerschnitte aufeinander. Hierdurch kann die Festigkeit der Klebeverbindung noch verbessert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die Klebe­ flächen im Längsschnitt Wellenform. Das bedeutet, daß Rippen und Nuten ohne sprunghafte Änderungen ineinander übergehen. Beispielsweise können die Wellen Sinusform haben. Hierdurch wird erreicht, daß trotz der Profilie­ rung die kurzen Fasern parallel zur Klebefläche verlau­ fen. Bei axialer Belastung werden dann die Kräfte sicher auf weiter innen liegende Faserschichten übertragen. Vor allem ist es ausgeschlossen, daß sich ungenügend durch Fasern verstärkte Bereiche ergeben, die bei Bela­ stung vielleicht brechen würden.

Hierbei empfiehlt es sich, daß die größte Neigung der Klebefläche im Bereich von 20° bis 30° liegt. Diese sich auf die Behälterachse beziehenden Werte stellen einerseits sicher, daß eine ausreichende Abstützung der aufeinanderliegenden Klebeflächen erfolgt, gewähr­ leistet es aber andererseits, daß die Amplitude der Wellen und damit die beim Mittelabschnitt erforderliche Wandstärke nicht zu groß wird.

Günstig ist es auch, daß die freie Oberfläche der Deckel im Überlappungsbereich zur Vermeidung von sprunghaften Wandstärkenänderungen eine der Klebefläche entsprechen­ de Form hat. Dies begünstigt das Einströmen der Preß­ masse in den Überlappungabschnitt des Deckels und daher eine entsprechende Ausrichtung der Fasern parallel zur Klebefläche.

Des weiteren kann die Wandstärke der Deckel im Überlap­ pungsbereich zur Behältermitte hin allmählich abnehmen. Dies berücksichtigt die zu übertragenden Kräfte und führt zu einer Materialersparnis.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß die mindestens eine Umfangsrippe mit der mindestens einen Umfangsnut ein Schraubgewinde bildet. Deckel und Mittelabschnitt können daher in Überlappungseingriff gebracht werden, ohne daß beim Zusammenbau eine elasti­ sche Verformung einer der Baukomponten erforderlich ist. Die Relativbewegung beim Schrauben führt auch dazu, daß selbst bei ungleichmäßigem Klebstoffauftrag eine gleichmäßige Klebstoffverteilung auf der gesamten Klebe­ fläche sichergestellt wird. Schließlich wird durch das Zusammenschrauben der Teile eine mechanisch feste Verbin­ dung hergestellt, während die Klebeverbindung noch aus­ härtet. Es ist daher nicht erforderlich, das Aushärten in einer Klebepresse o. dgl. vorzunehmen.

Günstig ist es auch, daß die Deckel an ihrer Außenseite am endseitigen Beginn des Überlappungsbereichs einen Rücksprung aufweisen und der Mittelabschnitt bis zu diesem Rücksprung verläuft. Auf diese Weise kann man einen Behälter mit durchgehend glatter Außenfläche erzeu­ gen.

Des weiteren hat es sich als günstig ergeben, daß bei einem Mittelabschnitt mit durch Innendurchmesser und Außendurchmesser vorgebener Wandstärke der Kopf der Rippen in der Höhe des einen Durchmessers und der Grund der Nuten im Bereich der halben Wandstärke liegt. Auf diese Weise kann die vorgegebene Wandstärke des Mittel­ abschnitts voll ausgenutzt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Druckluftbehälters ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelabschnitt von einem unter Verwendung eines Faser­ bandes gewickelten Rohr abgeschnitten und dann an beiden Enden durch Materialentfernung innerhalb der Rohrwand­ stärke mit mindestens einer Umfangsrippe bzw. Umfangsnut versehen wird. Dadurch, daß die Länge dies Mittelab­ schnitts noch nicht beim Wickeln, sondern erst beim Abschneiden festgelegt wird, kann man den Wickelvorgang in erheblichem Umfang automatisieren, ohne in der Frei­ zügigkeit bei der Wahl der Behältergröße behindert zu sein.

Des weiteren empfiehlt es sich, daß die Deckel durch Einbringung einer Kunstharz, Füllstoffe und Faserab­ schnitte aufweisenden Preßmasse in eine Form erzeugt werden, wobei sich die mindestens eine Einbringöffnung im Bereich der Deckelstirnseite befindet. Diese Herstel­ lungsart für den Deckel bringt eine hohe Sicherheit, daß die Fasern im Überlappungsbereich parallel zur Ober­ fläche verlaufen, weil dieser Überlappungsbereich ringsum etwa gleichzeitig von der Preßmasse erreicht wird.

Beim Zusammenbau ist es günstig, daß die Klebefläche klebefähig gemacht und dann jeder Deckel mit dem Mittel­ abschnitt bis zum Erreichen der Endlage verschraubt wird. Damit ist während der Verfestigung der Klebever­ bindung eine definierte Lage der Baukomponenten zueinan­ der vorgegeben.

Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Deckels für den Druckluftbehälter ist gekennzeichnet durch eine Preß­ form, bei der an einen Hohlraum zur Bildung der Deckel­ stirnseite ein im wesentlichen zylindrischer Hohlraum anschließt, der nach innen und außen leicht gewellte Begrenzungsflächen besitzt, deren Erhebungen schrauben­ förmig verlaufen. Mit dieser Preßform erhält man den gewünschten Verlauf der kurzen Faserabschnitte.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckluftbehälter und

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt A der Fig. 1.

Der veranschaulichte Druckluftbehälter 1 weist einen zylindrischen Mittelabschnitt 2 sowie zwei Deckel 3 und 4 auf, die längs eines Überlappungsbereichs 5 bzw. 6 mit dem Mittelabschnitt 2 durch eine Klebung verbunden sind.

Der Mittelabschnitt 2 ist ein Wickelteil und von einem gewickelten Rohr größerer Länge abgeschnitten. Dieses Wickelrohr wird dadurch hergestellt, daß ein mit Kunst­ stoff, wie Polyester, getränktes Glasfaserband auf einen zylindrischen, drehbaren Kern aufgewickelt wird, mög­ lichst in mehreren Lagen. Nach Aushärtung des Kunststoffs ist das gewickelte Rohr fertig. Nach dem Abschneiden des Mittelabschnitts 2 wird dieser mit einer Öffnung 7 versehen, die durch einen aufgeklebten Ring 8 verstärkt wird. In diesen Ring wird eine mit Innengewinde versehe­ ne Anschlußbuchse 9 eingenietet.

Schließlich wird der Mittelabschnitt 2 in den Überlap­ pungsbereichen 5 und 6 durch Materialabnahme, beispiels­ weise durch Drehen, derart bearbeitet, daß sich eine im Längsschnitt wellenförmige Klebefläche 10 ergibt (Fig. 2). Diese wird durch eine Umfangsrippe 11 und eine benachbarte Umfangsnut 12 gebildet, welche schrau­ benförmig umlaufen. Der Kopf der Rippe 11, also der Wellenberg, liegt in Höhe des Innendurchmessers D₁ des Mittelabschnitts 2, der Nutengrund, also das Wellental, liegt im Bereich der Hälfte der Wandstärke des Mittel­ abschnitts 2, die sich aus der Differenz von Innendurch­ messer D₁ und Außendurchmesser D₂ berechnet. Auf diese Weise wird die gewünschte Profilierung mit einer geringen Materialabnahme, also unter weitgehender Aufrechterhal­ tung des Materials des Mittelabschnitts, erzielt.

Die Deckel 3 und 4 werden in einer Preßform hergestellt, in welche eine Preßmasse, die im wesentlichen aus einem Kunstharz, wie Polyester, Füllstoffen, wie Kaolin, und Glasfaserabschnitten mit einer Länge von etwa 25 mm besteht, unter Druck eingefüllt wird. Hierbei können die Aussparungen für die später einzunietenden Anschluß­ buchsen 13, 14 und 15 bereits vorgesehen werden. Das Einfüllen erfolgt im Bereich der Deckelstirnseite 16, so daß die Preßmasse etwa gleichzeitig den Überlappungs­ bereich 5 bzw. 6 über den gesamten Umfang erreicht. Die von der Strömung mitgeführten Glasfasern richten sich in Strömungsrichtung aus und verlaufen daher etwa parallel zur Klebefläche 17 des Deckels. Diese Klebe­ fläche ist der Klebefläche 10 angepaßt und wird durch eine wellenartig geformte und schraubenförmig verlaufende Rippe 18 mit benachbarter Umfangsnut 19 gebildet. Die freie Oberfläche 20 des Deckels im Überlappungsbereich folgt dem Verlauf der Klebefläche 17, so daß keine sprunghafte Änderung der Wandstärke des Deckels in diesem Bereich auftritt. Es erfolgt lediglich eine Verjüngung der Wandstärke in Richtung auf die Behältermitte hin.

Die größte Neigung der Klebefläche zur Behälterachse befindet sich in der Mitte zwischen Wellenberg und Wel­ lental; sie beträgt etwa 28°.

Wäre die Klebefläche 17 eine zylindrische oder nahezu zylindrische Fläche, so würden die dieser Fläche benach­ barten Fasern etwa achsparallel verlaufen. Wird nun der Behälter unter Druck gesetzt, so ergibt sich an der Klebeverbindung eine axiale Belastung, durch die die Klebeverbindung auf Scherung beansprucht wird. Die dabei auftretenden Kräfte führen zu interlaminaren Scher­ spannungen. Die Fasern sind praktisch unwirksam. Durch die wellenförmige Gestaltung wird nun erreicht, daß sich die Fasern beim Preßvorgang ebenfalls wellenförmig ausrichten. Wenn nun bei Innendruckbelastung Axialkräf­ te an der Klebeverbindung auftreten, kann ein Teil die­ ser Kräfte über die Fasern in das Materialinnere weiter­ gegeben werden, wodurch die interlaminare Bindung entla­ stet wird.

In Fig. 1 ist rechts gestrichelt eine Form 22 für den Deckel 4 eingezeichnet. Ein Außenteil 23 mit Gewindefort­ satz 24 wirkt mit einem stirnseitigen Innendeckel 25 und einem Gewinde-Innenteil 26 zusammen. Daher ergibt sich zwischen den Formteilen 23 und 25 ein Hohlraum 27 zur Bildung der Deckelstirnseite und zwischen den Formteilen 24 und 26 ein im wesentlichen zylindrischer Hohlraum 28, der nach innen und außen leicht gewellte Begrenzungsflächen hat.

Wenn ein Deckel 3 mit dem Mittelabschnitt 2 verbunden werden soll, werden die Klebflächen 10 und/oder 17 mit Klebstoff bestrichen. Dann werden die Teile durch eine Schraubbewegung miteinander verbunden, bis der Mittelab­ schnitt 2 an einen Rücksprung 21 des Deckels 3 anstößt.

Dies ergibt eine definierte Endlage. Das anschließende Aushärten des Klebstoffs kann erfolgen, ohne daß die Teile 2 und 3 durch eine andere Vorrichtung, beispiels­ weise eine Klebepresse, in ihrer Lage gehalten werden müssen. Beim Zusammenschrauben wird auch der Klebstoff gleichmäßig verteilt, selbst wenn er zuvor ungleichmäßig aufgetragen worden sein sollte.

Bei einem Test zeigte sich, daß der Berstdruck des Luft­ druckbehälters weit über 50 bar lag, also über dem Wert, der für Druckluftbehälter mit einem Nenndruck bis zu 10 bar vorgeschrieben ist. Der Behälter eignet sich daher für viele Druckluft-Anwendungszwecke, bei denen Drücke im genannten Bereich auftreten.

Als Fasern kommen in erster Linie Glasfasern in Betracht. Unter besonderen Umständen sind aber auch Kohlefasern oder Aramidfasern geeignet. Außer den angegebenen Werk­ stoffen kommen alle für die Wickel-Arbeitsgänge und für die Preß-Arbeitsgänge geeigneten Werkstoffe in Be­ tracht, also insbesondere als Preßmasse jede bekannte SMC-Masse (sheet moulding compound). Statt eines unge­ sättigten Polyesterharzes oder anderen chemisch reagie­ renden Kunststoffen, wie Venylester oder Epoxidharz, können auch faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplasti­ scher Matrix zum Einsatz kommen, die ihre Festigkeit durch Abkühlen aus der Schmelze erhalten. In der Regel wird die Klebefähigkeit mit Hilfe eines Klebstoffauftrags sichergestellt. Es kann aber auch ein Lösungmittel aufge­ tragen werden, das den Kunststoff an der Klebefläche anlöst. Es gibt auch Anwendungsfälle, in denen der Deckel den Mittelabschnitt von außen überlappt.

Claims (14)

1. Druckluftbehälter aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Druckluft-Bremsanlagen von Kraftfahr­ zeugen, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Mittelabschnitt (2) und zwei durch Klebung längs eines Überlappungsbereichs (5, 6) damit verbundencn Deckeln (3, 4), wobei die Deckel (3, 4) Preßteile sind und wobei Mittelabschnitt (2) und Deckel (3, 4) im Überlappungsbereich (5, 6) einander angepaßte Klebeflächen (10, 17) an mindestens einer Umfangsnut (12) des einen Teils und mindestens einer in diese greifende Umfangsrippe (18) des anderen Teils auf­ weisen.

2. Druckluftbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mittelabschnitt (2) ein Wickelteil ist.

3. Druckluftbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Längsschnitt mehrere Rippen- bzw. Nutenquerschnitte aufeinanderfolgen.

4. Druckluftbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebeflächen (10, 17) im Längsschnitt Wellenform haben.

5. Druckluftbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die größte Neigung der Klebefläche (10, 17) im Bereich von 20° bis 30° liegt.

6. Druckluftbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Oberfläche (20) der Deckel (3, 4) im Überlappungsbereich (5, 6) zur Vermeidung von sprunghaften Wandstärkenände­ rungen eine der Klebefläche (17) entsprechende Form hat.

7. Druckluftbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Deckel (3, 4) im Überlappungsbereich (5, 6) zur Behältermitte hin allmählich abnimmt.

8. Druckluftbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Um­ fangsrippe (18) mit der mindestens einen Umfangsnut (12) ein Schraubgewinde bildet.

9. Druckluftbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckel (3) an ihrer Außenseite am endseitigen Beginn des Überlap­ pungsbereichs (5) einen Rücksprung (21) aufweisen und der Mittelabschnitt (2) bis zu diesem Rücksprung verläuft.

10. Druckluftbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Mittelab­ schnitt (2) mit durch Innendurchmesser (D1) und Außendurchmesser (D2) vorgegebener Wandstärke der Kopf der Rippen (11) in Höhe des einen Durchmessers (D1) und der Grund der Nuten (12) im Bereich der halben Wandstärke liegt.

11. Verfahren zur Herstellung eines Druckluftbehälters nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mittelabschnitt von einem unter Verwendung eines Faserbandes gewickelten Rohr abge­ schnitten und dann an beiden Enden durch Material­ entfernung innerhalb der Rohrwandstärke mit minde­ stens einer Umfangsrippe bzw. Umfangsnut versehen wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Druckluftbehälters nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckel durch Einbringung einer Kunstharz, Füllstoffe und Faserabschnitte aufweisenden Preßmasse in eine Form erzeugt werden, wobei sich die mindestens eine Einbringöffnung im Bereich der Deckelstirnseite befindet.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Klebefläche klebefähig gemacht und dann jeder Deckel mit dem Mittelabschnitt bis zum Erreichen der Endlage verschraubt wird.

14. Vorrichtung zur Herstellung eines Deckels für den Durckluftbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Preßform (22), bei der an einen Hohlraum (27) zur Bildung der Deckel­ stirnseite ein im wesentlichen zylindrischer Hohl­ raum anschließt, der nach innen und außen leicht gewellte Begrenzungsflächen besitzt, deren Erhebun­ gen schraubenförmig verlaufen.