Ultraleichte Hochleistungs-Hydraulikzylinder und Betonförderleitungen

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Gottlob Sachs
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- 209 - Ultraleichte Hochleistungs-Hydraulikzylinder und Betonförderleitungen Dr.-Ing.

1 Ultraleichte Hochleistungs-Hydraulikzylinder und Betonförderleitungen Dr.-Ing. Carsten Müller, Stuhr 1 ) 1 ) Lingk & Sturzebecher Leichtbau GmbH Zusammenfassung: Prädestinierte Anwendungsfelder von Leichtbau-Hydraulikzylindern sind neben der Luftfahrt und Robotik die Ausrüstung von Baufahrzeugen wie etwa Hubarbeitsbühnen, mobile Autobetonpumpen, Bagger und Kräne. Durch den Einsatz dieser ultraleichten Hochleistungs-Hydraulikzylinder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) wird eine deutliche Verlängerung der Auslegerstrukturen realisiert, ohne dass die zulässigen Achslasten oder die Gesamtgewichte der Fahrzeuge überschritten werden. Der Einsatz von CFK-Schwerlast- und CFK-Hohlkolbenzylindern im Bereich der Spanntechnik führt unmittelbar zu einer Reduzierung der körperlichen Belastung des Bedienpersonals und zum Verzicht auf zusätzliches Hebewerkzeug. Vorgestellt wird ebenfalls eine neuartige CFK-Förderleitung, die nur noch ein Drittel gegenüber der metallischen Ausführung wiegt. Ihr Einsatz ist insbesondere für mobile Autobetonpumpen vorgesehen. 1 Leichtbaupotential von Faser-Kunststoff-Verbunden Die bisher hauptsächlich aus der Luft- und Raumfahrt bekannten kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) mit anisotropem Eigenschaftsprofil bieten die Möglichkeit, die richtungsabhängigen Eigenschaften hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit dieser Werkstoffgruppe für die Konstruktion von Leichtbauzylindern vorteilhaft voll auszuschöpfen (Bild 1). Bild 1: Gegenüberstellung spezifischer Eigenschaften von Verbundwerkstoffen und klassischen Konstruktionswerkstoffen

- 210 - Das Leichtbaupotential von Faserverbundwerkstoffen ist in Bild 1 deutlich erkennbar.

2 Das Leichtbaupotential von Faserverbundwerkstoffen ist in Bild 1 deutlich erkennbar. Bei dynamischer Beanspruchung sind zusätzlich die Werkstoffdämpfung und die Schwingfestigkeit in die Konstruktion einzubeziehen. Für einen optimal ausgelegten, konstruierten Werkstoff sind gerade im Bereich der Hydraulik weitere Kriterien wie Bruchdehnung, Schlagzähigkeit, Medienbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit zu berücksichtigen. Um jedoch die richtungsabhängigen Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe für die Konstruktion von Leichtbauzylindern vorteilhaft auszuschöpfen zu können, ist ein höheres Maß an theoretischen Betrachtungen erforderlich, als von der Auslegung herkömmlicher Zylinder aus isotropen metallischen Werkstoffen her gewohnt (Bild 2). Bild 2: Prinzipieller Berechnungsablauf bei der Dimensionierung von Verbundstrukturen 2 Aufbau von CFK-Differentialzylindern Der prinzipielle Aufbau der CFK-Differentialzylinder in Ultraleichtbauweise ist in Bild 3 dargestellt. Das heterogene Mehrschicht-Verbundrohr (5) mit dem in Umfangsrichtung über 40- fachen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis gegenüber konventionellen Stahlrohren nimmt die hohen Beanspruchungen in Umfangs- und Radialrichtung sowie axial Biegebeanspruchungen betriebssicher auf. Ein innen liegendes metallisches Innenrohr dient im Wesentlichen als Diffusionssperre sowie als Gleitfläche für die Führungen und Dichtungen des Kolbens (6) und kann in sehr geringen Wandstärken ausgeführt werden. Die Längszugkräfte werden über Führung (2) und Boden (4) in die Zuganker (3) eingeleitet. Um die CFK-Hydrozylinder für ihre jeweiligen Einsatzgebiete maßzuschneidern, werden sämtliche Bauteile und die eingesetzten Werkstoffe den jeweiligen Betriebsbelastungen mittels analytischer und numerischer Berechnungsverfahren optimal angepasst (Bild 4).

- 211 - Bild 3: Aufbau eines CFK-Leichtbau-Hydraulikzylinders (Differentialzylinder) Bild 4: Finite-Elemente-Berechnung einer kerbempfindlichen

Verkehrswesens, Flugzeuge, Nutz-, Bau- und Kranfahrzeuge, Schienenfahrzeuge, sowie im modernen Hochleistungs-Maschinenbau, Werkzeugmaschinen,

3 Bild 3: Aufbau eines CFK-Leichtbau-Hydraulikzylinders (Differentialzylinder) Bild 4: Finite-Elemente-Berechnung einer kerbempfindlichen Aluminiumstruktur 3 Anwendungen von CFK-Differentialzylindern Die Anwendungen von CFK-Leichtbauzylindern (Bild 5-8) sind in allen Bereichen des Verkehrswesens, Flugzeuge, Nutz-, Bau- und Kranfahrzeuge, Schienenfahrzeuge, sowie im modernen Hochleistungs-Maschinenbau, Werkzeugmaschinen, Fördertechnik, etc., zu sehen. Die deutliche Gewichtseinsparung dieser Konstruktion beträgt im Vergleich mit konventionellen metallischen Lösungen in der Regel mehr als 50%.

- 212 - Bild 5: CFK-Hydrozylinder im Verteilermast einer mobilen Autobetonpumpe

Bild 8: CFK-Zylinder in der Luftfahrt 4 Leichtbau-Spannsysteme für Hoch- und

Ankern, Pfählen sowie Nägeln im Grundbau und Brückenbau (Bild 9-10) eingesetzt

abgestimmten geregelten Hydro-Kompaktaggregat mit 700 bar Betriebsdruck.

4 Bild 5: CFK-Hydrozylinder im Verteilermast einer mobilen Autobetonpumpe Bild 7: CFK-Zylinder für Roboter Bild 6: CFK-Hydrozylinder in mobiler Arbeitsbühne Bild 8: CFK-Zylinder in der Luftfahrt 4 Leichtbau-Spannsysteme für Hoch- und Tiefbau Die neuartigen Leichtbau-Spannsysteme, die zum Prüfen und Spannen von Ankern, Pfählen sowie Nägeln im Grundbau und Brückenbau (Bild 9-10) eingesetzt werden, bestehen aus einem ultraleichten CFK-Hohlkolbenzylinder und einem darauf abgestimmten geregelten Hydro-Kompaktaggregat mit 700 bar Betriebsdruck. Die beachtenswerte Gewichtsreduzierung der hochdruckfähigen CFK-Hohlkolbenzylinder in Ultra-Leichtbauweise gegenüber her-

- 213 - kömmlichen metallischen Zylindern beträgt bis zu 75 %!

Darüber hinaus werden die körperliche Belastung und der Zeitaufwand der Spannkolonnen deutlich reduziert.

Bild 9: Prüfung von Litzenankern mit CFK-Hohlkolbenzylindern Bild 10: CFK-Hohlkolbenzylinder für Dauerprüfung von Stabankern 5 Leichtbau-Förderleitungen aus Faser-Kunststoff-Verbunden Bild 11:

5 kömmlichen metallischen Zylindern beträgt bis zu 75 %! Hierdurch entfallen beim Einsatz dieser korrosionsbeständigen CFK-Zylinder die Hebewerkzeuge sowohl für den Transport als auch für die Positionierung am Einsatzort. Darüber hinaus werden die körperliche Belastung und der Zeitaufwand der Spannkolonnen deutlich reduziert. Mit dem exklusiven Vertriebspartner, der SUSPA-DSI GmbH, ist ein weltweiter Vertrieb und Service gesichert. Bild 9: Prüfung von Litzenankern mit CFK-Hohlkolbenzylindern Bild 10: CFK-Hohlkolbenzylinder für Dauerprüfung von Stabankern 5 Leichtbau-Förderleitungen aus Faser-Kunststoff-Verbunden Bild 11: Förderleitung am Verteilermast einer mobilen Autobetonpumpe Neben den CFK-Zylindern wird das Konzept von neuartigen Leichtbau-Förderleitungen für den Einsatz in mobilen Autobetonpumpen vorgestellt (Bild 11). Eine beanspruchungsgerechte Leichtbauweise erlaubt bei gezieltem Einsatz von CFK eine Gewichtsreduzierung von über 60% gegenüber konventionellen Betonförderleitungen aus metallischen Legierungen. Diese Entwicklung wurde im Rahmen des vom BMBF unterstützten FuE-Vorhabens Ultra-Leichtbau bei mobilen Arbeitsmaschinen (ULMA) durchgeführt. Wesentliches Augenmerk gilt bei dieser Aufgabenstellung der Einleitung der Axialkraft in die Faserverbundstruktur. Dies wurde durch einen angepassten Rohrflansch erreicht, der einerseits die betriebsbedingt erforderlichen Geometrien für Dichtungen sowie angrenzende Verbindungselemente aufweist und andererseits eine sichere Übertragung der Längskräfte in die CFK-Struktur gestattet (Bild 12).

- 214 - Die ersten Versuche mit dem Funktionsträger verliefen sehr Erfolg versprechend.

CFK-Förderleitung Weitergehende Untersuchungen werden zum Ziel haben, einen geeigneten Verschleißschutz auf die Innenseite der

6 Die ersten Versuche mit dem Funktionsträger verliefen sehr Erfolg versprechend. Der geforderte Mindest-Versagensdruck von p = 180 bar wurde mit einem realisierten Berstdruck (Bild 13-14) von p = 253 bar sehr deutlich überschritten. Fertigung einer Leichtbau-Förderleitung (Prototyp) Faserführung am Rohrflansch CFK-Kreuzwicklung Bild 12: Wickelprozess zur Herstellung einer CFK-Förderleitung Weitergehende Untersuchungen werden zum Ziel haben, einen geeigneten Verschleißschutz auf die Innenseite der CFK-Förderleitung zu applizieren und entsprechende betriebsnahe Daueruntersuchungen durchzuführen. Berstversuch CFK-Förderleitung Druck [mbar] Zeit [s] Bild 13: Probekörper nach dem Berstversuch Bild 14: Druckverlauf während des Berstversuchs

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