Auslegung von Leichtbau-Hydraulikaktuatoren in FKV/Metall-Mischbauweise.
Die kompakte Bauweise verbunden mit hoher Leistungsdichte prädestiniert hydraulische Antriebe für den Einsatz in mobilen Systemen wie etwa Flugzeugen, Baumaschinen oder Kraftfahrzeugen. Bei derartigen Anwendungen spielt die Masse der Hydraulikkomponenten eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems, da wichtige Eigenschaften wie etwa die maximale Nutzlast oder die Reichweite direkt davon abhängig sind. Daher kommt der Entwicklung von innovativen Leichtbauweisen für hydraulische Systemkomponenten eine wachsende Bedeutung zu. Hierdurch lassen sich primäre Produkteigenschaften verbessern und somit entscheidende Wettbewerbsvorteile erzielen. Welche Lösungswege gibt es nun?
Die Entwicklung von Leichtbau-Hydraulikkomponenten für unterschiedliche Branchen ist am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden seit seiner Gründung im Jahr 1994 ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt. Dabei wird entsprechend der Leitidee des ILK immer die gesamte Kette betrachtet, ausgehend von der Werkstoffcharakterisierung und der werkstoffgerechten Konstruktion über die Bereitstellung effizienter Berechnungsmethoden bis hin zur technologischen Umsetzung in ein funktionsfähiges Produkt. Bereits während der Konzeptionsphase von Leichtbau-Hydraulikkomponenten muss oft eine Vielzahl strukturmechanischer als auch funktioneller Anforderungen berücksichtigt werden. Diese komplexen Anforderungen können meist nur durch den Einsatz von klassischen metallischen Werkstoffen in Kombination mit anisotropen Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) technisch und wirtschaftlich erreicht werden.
Das Potenzial von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) mit ihren richtungsabhängigen Eigenschaften lässt sich insbesondere bei hydraulischen Systemkomponenten ausnutzen, die im Betrieb einem maßgeblich ein- beziehungsweise zweidimensionalen Beanspruchungszustand unterliegen. Die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten von CFK in Faserrichtung können hier durch eine gezielte Anpassung der Faserorientierungen an die vorherrschenden Kraftflüsse hervorragend ausgenutzt werden. Ein Beispiel dafür bilden innenüberdruckbelastete dünnwandige Zylinderstrukturen wie etwa Zylinderrohre oder Behälterstrukturen, deren Masse durch den Einsatz von CFK erheblich reduziert werden kann.
Die faserverbundgerechte Bauteilgeometrie und die langen Lastpfade begünstigen dabei den Einsatz von CFK mit seinem hohen Leichtbaupotenzial. Demgegenüber bietet sich bei geometrisch komplexen und gleichzeitig mehrachsig beanspruchten Komponenten wie etwa den stirnseitigen Flanschen der Zylinderrohre die Verwendung von isotropen metallischen Werkstoffen an.
Darüber hinaus erfordern bei Hydraulikkomponenten die vielfältigen funktionellen Anforderungen wie etwa Gleit- und Dichtfunktionen häufig die Integration von zusätzlichen Metallkomponenten. So wird beispielsweise das CFK-Zylinderrohr von Leichtbau-Hydraulikaktuatoren häufig mit einem diffusionsdichten metallischen Liner ausgekleidet, um einerseits eine verschleißfeste Kolbenlauffläche zu gewährleisten und andererseits die tragende Faserverbundstruktur vor der Hydraulikflüssigkeit zu schützen.
Passende Lasteinleitungssysteme entwerfen
Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung von Hydraulikkomponenten in FKV/Metall-Mischbauweise liegt im Entwurf von faser- und beanspruchungsgerechten Lasteinleitungssystemen für die Anbindung der metallischen Flansche an die Faserverbundstruktur. An diesen kritischen Verbindungszonen treten im Betrieb gewöhnlich besonders komplexe Spannungs- und Verformungszustände auf. Klassische Klebverbindungen stoßen hier aufgrund der relativ niedrigen Festigkeit und wegen der oft aufwendigen Oberflächenvorbehandlung sowie der Klebstoffverarbeitung an technische und wirtschaftliche Grenzen. Bei rein kraftschlüssigen Verbindungsystemen kann es durch kriechbedingte Setzeffekte in Dickenrichtung von FVK-Laminaten zu einem vorzeitigen Abfall der Vorspannkraft kommen. Demgegenüber eignen sich formschlüssige Verbindungssysteme bei Faserverbundstrukturen hervorragend zur Einleitung von hohen Lasten auf engem Bauraum.
Am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden entwickelte Leichtbau-Hydraulikkomponenten.
Für Leichtbau-Hydraulikzylinder wurde daher am ILK ein umfangreicher Bauweisenkatalog zu formschlüssigen Anbindungssystemen von Metallflanschen an die Stirnseiten von FKV-Zylinderrohren beziehungsweise -Kolbenstangen erarbeitet. Bei der Neuentwicklung von Leichtbau-Hydraulikaktuatoren erlaubt dieser Katalog eine schnelle Auswahl von geeigneten Lasteinleitungselementen unter Berücksichtigung der strukturellen und funktionellen Anforderungen. Darüber hinaus wurde auch für Blasenspeicher eine umfangreiche Bauweisenstudie zur formschlüssigen Anbindung der metallischen Gas- und Ölventile an die FKV-Behälterstruktur durchgeführt.
Im Rahmen der Entwicklung von Leichtbau-Hydraulikkomponenten in FKV/Metall-Mischbauweise bildet die Erarbeitung von geeigneten Berechnungsmethoden für die realitätsnahe Auslegung einen weiteren Schwerpunkt der Forschungsarbeiten am ILK. Dies umfasst sowohl analytische Berechnungsmethoden für eine schnelle Festigkeitsanalyse und eine schnelle Stabilitätsanalyse im Rahmen der Vorauslegung, als auch Finite-Elemente-Berechnungsmodelle wie für die detaillierte Eigenspannungsanalyse von hybriden FKV/Metall-Mehrschichtverbunden unter thermischer Belastung.
Auslegung des Aktuators in drei Schritten
Im Bild auf Seite 56 ist das prinzipielle Vorgehen bei der Auslegung eines Leichtbau-Hydraulikaktuators exemplarisch dargestellt. Zuerst erfolgt die Auslegung des Laminataufbaus des FKV-Zylinderrohrs und der FKV-Kolbenstange im Hinblick auf den maximalen Innenüberdruck beziehungsweise die maximalen axialen Zug- und Druckkräfte, wobei am ILK auf eine Vielzahl analytischer Berechnungstools zurückgegriffen werden kann. Die so ermittelten Schichtaufbauten dienen als Ausgangsbasis für die anschließende iterative Stabilitätsanalyse, die sowohl für eindimensionales (Knicken) als auch zweidimensionales Stabilitätsversagen (Beulen) durchgeführt wird. Abschließend werden detaillierte Finite-Elemente-Modelle für die Lasteinleitungsbereiche an den Stirnseiten des Zylinderrohrs und der Kolbenstange erarbeitet, um Festigkeit und Steifigkeit realitätsnah beurteilen zu können.
Exemplarische Bauweisenkonzepte für Leichtbau-Hydraulikkomponenten in Mischbauweise.
Am ILK wurden allerlei Leichtbau-Hydraulikkomponenten in FKV/Metall-Mischbauweise entwickelt und erfolgreich erprobt. Dazu zählen das Zylinderrohr und die Kolbenstange eines Leichtbau-Hydraulikaktuators für Luftfahrtanwendungen sowie die Behälterstruktur eines Leichtbau-Blasenspeichers. Durch die konsequente methodische Gestaltung dieser hydraulischen Systemkomponenten nach strukturmechanischen, funktionalen sowie werkstoff- und herstellungstechnischen Gesichtspunkten konnte bei dem Aktuator eine Masseeinsparung von rund 30 % und bei dem Blasenspeicher eine Gewichtsreduzierung von etwa 40 % gegenüber klassischen metallischen Bauweisen erreicht werden.
Resümee: Der Einsatz von innovativen FKV/Metall-Mischbauweisen für hochbeanspruchte Hydraulikkomponenten bietet im Vergleich zu rein metallischen Bauweisen ein außerordentlich hohes Leichtbaupotenzial. Allerdings erfordert die Vielzahl der zu berücksichtigenden Parameter bei der Gestaltung und Dimensionierung von Komponenten in Multi-Material-Design eine systematische Vorgehensweise – beginnend von der hybridgerechten Gestaltung über effiziente Berechnungsmethoden bis hin zu angepassten Fertigungskonzepten. Die am ILK erarbeiteten und entwickelten Bauweisenkataloge und Berechnungsmethoden bilden wichtige Werkzeuge für den Ingenieur zur effizienten Entwicklung von Leichtbau-Hydraulikkomponenten in FKV/Metall-Mischbauweise.
Autor Dr.-Ing. Andreas Ulbricht,
Leichtbau-Zentrum Sachsen (www.lzs-dd.de),
Prof. Dr.-Ing. Werner Hufenbach,
TU Dresden (tu-dresden.de/mw/ilk)
