专利名称：带有复合材料活塞杆的压力缸及制备复合材料活塞杆的方法
技术领域：
本发明涉及包括缸空间的压力缸，缸空间由缸壳体限界，在缸壳 体中有可沿轴向移动的配合活塞，其中至少基本由纤维复合材料制造 的活塞杆从活塞延伸出，活塞杆主要包括在外围的外套下的一层芯子 材料层。
背景技术：
压力缸存在有很多形状及尺寸并且通常适于一个具体的应用。这 里通常使用金属、特别是不锈钢作为缸壳体、活塞杆和活塞的材料， 因为这些材料坚固性、耐久性和比较简单的加工性，另外原材料价格 比较合适。但是，作为压力缸基本材料的金属也有缺点，特别是其比 重比较高。因此量终的压力缸有相当大的总重量，这特别对于要有低 重量的应用是一个缺点。这特别对船舶和飞机及例如援救工具的手提 工具是一个问题，在这地应用中从结构和人机工程学观点言，要寻求 尽可能最低的重量。
为了轻重量的应用，增加的寻求对象是复合材料。在给定的机械 强度和加载性下，复合材料明显比例如不锈钢轻。另外，复合材料总 体上有很高的抗腐蚀性，这使这些材料突出地适合用于腐蚀性的环境， 例如用在船(航海船)上。
从欧洲专利申请EP 239406中已知其中使用复合材料的、在本说 明书前序部分所说的类型的压力缸的一个实例。其中所述的压力缸包 括一个缸壳体在缸壳体中， 一个带活塞杆的活塞可活动，缸壳体和带 活塞的活塞杆由复合材料制造。这里，该活塞杆包括缠绕的复合材料 纤维的外套，在外套下是交替的直的和缠绕的纤维的芯子材料的层压 层。
虽然用该已知的压力缸可达到明显的重量减轻，但仍然是不理想。在芯子材料层中交替的直纤维和围绕着其缠绕的纤维的结构导致纤维 的紧实度比较小。特别在压缩强度的情形下，在实践中已发现需要比 较大量的材料用于活塞杆才可保证确定的加载性，这导致大的总重量 及体积，另外当然是高的成本价格。
发明内容
除了其它的以外，本发明的一个目的提供一种前面前序部分所述 类型的压力缸，这种压力缸只需较少的复合材料用于活塞杆，而强度 保持不变。
为实现上述的预期目的， 一种前序部分所述类型的压力缸具有根 据本发明的特征，在所述的芯子材料中的至少基本上的复合材料纤维 是至少几乎全是直的并且定向成至少几乎与活塞杆的纵轴线平行，并 且在所述的外套中的至少基本上的复合材料纤维绕所述的活塞杆的纵 轴线以一个角度缠绕。通过在芯子材料层应用基本上仅有拉直的纤维，
得到非常紧凑的纤维叠层，这使其本身显示特别高的压缩强度。因此 对预定加载性，与已知的压力缸中的层压结构比，只要明显更薄的芯 子材料层就足够了。这里，比较薄的缠绕的纤维的外套已经为本发明 的压力缸的活塞杆提供足够的稳定性和强度以允许吸收径向应力。因 此提供了带有可经受比较高的压力负载的、重量比较轻的活塞杆的压 力缸。
按照本发明的压力缸的一个优选实施例的特征在于所述的复合 材料纤维包括高的强度重量比的纤维，特别是碳纤维。如碳纤维之类 的高的强度重量比的纤维特别适合用于按照本发明的活塞杆，因为除 了比较轻的重量，这种纤维还给活塞杆以比较大的强度。因此可吸收 比较高的压力负栽并具有附加可靠性。
按照本发明的压力缸的另一个优选实施例的特征在于所述的外 套包括带有几乎平的、光滑的表面的顶层。这种表面保护复合材料纤 维并几乎使活塞杆接触的部件(例如液体密封装置)没有摩擦损坏。 因此，外套提供了可增加压力缸的耐久性的活塞杆的顶层。这里考虑， 按照本发明的压力缸的一个特别的实施例具有如下特点所述的顶层包括缠绕的纤维并已进行材料去除(material removal)处理。活塞杆 是过尺寸的，随后被减小到要求的直径，其中由缠绕纤维导致的不平 度消失。
按照本发明的压力缸的另一优选实施例的特征在于所述的活塞 杆至少基本构造成包围着一个中心管。这种管子提供了芯子材料层可 以以比较简单的方式布置在其上的基底。因此按照本发明的活塞杆可 以比较快及容易地制造。
按照本发明的压力缸的另一优选实施例的特征在于沿着其长度 的至少一部分，所述的管至少包括一个腔，所述的腔至少在所述的活 塞杆的近端开口。在管中的腔导致减少重量，因此提供了额外轻的活 塞杆，而且提供了在近端的固定方案。
按照本发明的压力缸的另一优选实施例的特征在于所述的活塞 杆通过一个插件与所述的活塞连接，其中所述的插件的远端合适地配 合在所述的活塞的近端的腔中，所述的插件的近端牢固地连接到所述 的活塞。由于活塞杆及活塞不形成整体件，活塞杆及活塞可相互分别 制造并由不同的材料制造。因此，这两个元件可最佳地适应于它们暴 露的条件。活塞因此可由例如金属制造，以便承受大的压力负载。插 件提供活塞杆和活塞之间的耐久的连接。
按照本发明的压力缸的另 一个优选的实施例的特征在于所述的 插件包括至少一个注射通道，所述的注射通道在所述的插件近端的一 个注射孔与开口进入在所述的插件远端的外壁和所述的活塞杆近端的 内壁之间的 一 个缝槽的 一 个外流孔之间延伸。粘结剂可注射通过注射 通道，随后流经外流孔进入缝槽以便充满那里的自由空间。这样，插 件可用粘结剂牢固地粘到活塞杆。
按照本发明的压力缸的一个特别的实施例的特征在于 一个气密 地密封所述的缝槽的密封件，在所述的插件的外壁和所述的外端的内 壁之间，布置在所述的外流孔的任一侧。这种密封件防止粘结剂流出 缝槽进入到活塞杆的腔中。粘结剂因此基本充满在密封件之间的缝槽 中的空间中。按照本发明的压力缸的另 一个特别的实施例具有如下特征所述 的密封件包括一个密封环， 一个槽在所述的外流孔的任一侧上形成在 所述的插件的外壁中用于接纳所述的密封环。这种密封环完全密封住 绕着所述的插件的缝槽。上述槽提供其中密封环保持就位的配合空间。 带有密封环的插件因此可以比较简单的方式放在活塞杆的腔中。
按照本发明的压力缸的另 一个特别的实施例具有如下特征所述 的插件包括至少一个与所述的注射通道开口连通的排出通道，所述的 排出通道在进口孔与在所述的插件的近端的自由表面上的排出孔之间 延伸，上述进口孔在所述的插件与所述的活塞杆的近端之间的缝槽的 位置处。这种排出通道提供了空气及粘结剂的自由出口。在压力下注 入的粘结剂把缝槽中的空气及粘结剂自身经外流孔挤出。因此容易确 定何时活塞杆及插件相互完全粘结在一起。
按照本发明的压力缸的另 一个优选的实施例的特征在于所述的 活塞包括分别具有在所述活塞的自由表面上的一个注射孔和一个外流 孔的至少一个注射通道和至少一个排出通道，并且所述的注射通道和 所述的排出通道通过在所述的活塞与所述的带插件的活塞杆之间的间 隙相互敞开式连通。通过这种注射通道，粘结剂可注射及流入上述间 隙以便充满该间隙。粘结剂可通过排出通道流出。因此可以比较容易 地确定何时活塞完全粘结到活塞杆和插件。这防止了液体(如液压液) 进入活塞及活塞杆之间的空间。
按照本发明的压力缸的另一个优选的实施例的特征在于所述的 活塞用螺紋拧在所述的插件上。通过把活塞用螺紋拧到插件上提供了 一种比较迅速及比较简单，但是耐久的连接。按照本发明的压力缸的 另一个优选的实施例的特征在于所述的活塞和所述的插件由金属、特 别是高等级铝、更优选地由阳极化处理的高等级铝制造。阳极化处理 的高等级铝的插件是可高度地抵抗在比较高的压力下作用在其上的 力，并且是抗腐蚀的。因此提供了活塞杆和活塞之间可靠的连接。
本发明还涉及一种以从复合材料纤维制的至少基本上的复合材料 制造活塞杆的方法，根据本发明的该方法的特征在于浸透有粘结剂的纤维被拉过一个模具，并以被拉直的形式形成一个芯子材料层，并且 浸透粘结剂的纤维以一个角度缠绕在芯子材料层上形成外围的外套， 在成形后，所述的芯子材料层和所述的外套固化。拉拔纤维通过模具 允许制造包括比较高含量的沿纵轴线定向并被拉直的纤维的芯子材料 层。通过在其上缠绕纤维，得到还可以吸收在加载压力时释放的径向 力的活塞杆。粘结剂使纤维相互粘结并在固化后对芯子材料层及外套 提供强度及粘附性。因此采用这种方法，可得到可在比较轻的重量下 经受比较高的压力负载的比较强的活塞杆。
按照本发明的另一个方法的所述的芯子材料层分段制成。借助把 芯子材料分段制成，可使用比较简单的模具，带有比较少的数目的、 拉拔复合材料纤维的巻轴。因此这种方法提供了比较实际的生产方法。
按照本发明的另一个方法的特征在于以一个角度缠绕的纤维顶 层被磨光滑及磨到尺寸。因此提供了使活塞杆的顶层相配合及光滑的 方法，因此，活塞杆接触的物体(如密封环)不受到摩擦损坏，或很 难受到摩擦损坏。
按照本发明的另一个方法的特征在于所述的芯子材料粘到一个 中心管上。把芯子材料，特别是芯子材料段粘到下面的管是比较简单 的。因此这种方法使得可以比较方便地制造活塞杆。按照本发明的另 一个方法的所述的活塞杆通过一个插件与一个活塞连接，所述的插件 第一端粘到所述的活塞杆，而第二端连接到所述的活塞。因此活塞和 活塞杆相互坚牢地连接。
按照本发明的一个特别优选的方法的特征在于至少一个活塞杆 从一个长度更大的杆切出。采用这种方法，可以较大长度的杆快速及 比较容易地制造正确长度的一个或多个活塞杆。因而生产成本更低。
下面参照 一 些举例的实施例和附图进 一 步说明本发明，附图中 图1示出按照本发明的活塞杆的一个举例的实施例的纵剖面图； 图2-4分别示出沿图1中II-II线剖切的剖面图及本发明的活塞杆 的一个举例的实施例的近端和远端的放大图；图5-7分别示出本发明的插件的一个举例的实施例的透视图、第 一纵剖面图和第二纵剖面图8-9分别示出本发明的活塞的一个举例的实施例的透视图和纵 剖面图。
具体实施例方式
附图只是示意性的和不是按比例画的。为了清楚起见， 一些尺寸 可能被特别夸大到更大或更小的范围。在图中相应的部件尽可能标以 相同的附图标记。
按照本发明的压力缸中使用的活塞杆的 一个举例的实施例以纵剖 面示于图1。空心的活塞杆l包括在外围的外套5下面的一层芯子材 料3并在近端设有一插件10和在远端设有一封闭件20。阳极化处理 的高等级铝制的插件10的远端相配合地粘接到活塞杆，而插件10的 近端借助螺紋(未示出)拧到活塞30。插件10的远端也可包括螺紋， 因而借助螺紋连接与活塞杆连接。
图2、 3、 4分别示出沿图1中II-II线剖切的剖面图和按照本发明 的压力缸中用的活塞杆的 一 个举例的实施例的近端的放大图和远端的 放大图。活塞杆1包括成复合材料的空心管形式的细管2。虽然细管 也可由阳极化处理的铝或其它比较不贵的材料制造以仅仅把比较昂贵 的复合材料纤维用在必须用的地方，但复合材料管提供额外的强度。 管2也可以是实心的以使活塞杆特别强和可靠。
活塞杆1主要由粘接到管2的芯子材料层3构成。在本发明的范 围内，应明白"主要"意味着芯子材料层形成活塞杆的至少50%。按 照本发明，这层芯子材料层如果不是完全则是基本上由直的复合材料 纤维构成。在本实例中，芯子材料层3包括高百分比碳纤维的复合材 料，所述碳纤维浸透有树脂，并通过拉拔带着树脂的碳纤维经过模具 并固化而分段制成4。与缠绕纤维相比，采用"拉拔的方法"，可得到 在芯子材料中更高百分比的复合材料纤维，因而芯子材料层的强度及 刚性增加，结果是芯子材料层可承受比较高百分比的、活塞的总压力。 虽然也可以用聚酯、聚氨酯、苯酚或乙烯酯树脂，但这里用的树脂是环氧树脂。
外套5缠绕着芯子材料层3。外套5包括一层由缠绕的碳纤维和 环氧树脂构成的复合材料，但是也可包括其它高的强度/重量比的纤 维。碳纤维以相对拉拔的纤维成60。至89。的角绕着芯子材料3缠绕以 形成很强的层，该很强的层防止在压力下纤维的弯折。
外套5包括磨光玻璃纤维顶层6，虽然这些纤维也可以是比较硬 和可磨光的碳纤维和其它类型的纤维。活塞杆l因此可磨光滑及磨到 尺寸，使得可防止对密封环的磨损及渗透液体，如液压液。在管2的 腔(未示出)中，放着金属插件10的一部分，插件10中心带有注射 通道11的一部分。粘结剂可注入从其通过因而把插件10粘到活塞杆。
如在图3放大图进一步示出，插件10包括一个注射通道11，带 有在近端的注射孔12和在插件10外壁的外流孔13， 14,外流孔13， 14与位于插件远端的外壁及活塞杆近端的内壁之间的一个缝槽(未示 出)敞开式连通。缝槽在各侧被至少部分设在插件10的槽中的两个O 形圏16, 17密封。由于有0形圏16， 17，插件10相配合地设在活塞 杆1的腔中同时密封该缝槽。因此胶可流经注射孔12、注射通道11 和外流孔13、 14流入缝槽，并在那里在0形圏16， 17之间固化。在 胶固化后，插件10被很牢固地连接到活塞杆1。通过注射通道11的 钻孔形成的第三外流孔15用塞子18堵住以便防止胶流入活塞杆1的 腔中。
如图4放大图进一步示出，类似的结构用在封闭件20中。封闭件 20由高等级合金钢制造以便吸收比较高的压力。封闭件20包括在注 射孔22和外流孔23， 24之间延伸的注射通道21,并且胶可流过该注 射通道把封闭件20粘到活塞杆1。封闭件20包括近端的一个槽，O 形圏26至少部分设在该槽中以便允许封闭件20相配合地设在活塞杆 1的腔中及防止胶流入活塞杆1的腔中。在胶固化后，封闭件20牢固 地连接到活塞杆l。封闭件20包括在远端的一个槽27，用于接收一个 末端件(tip)(未示出)。代替槽27,也可将螺紋布置在插件中。因此 活塞的远端可连接到一个操作装置，如一个剪形机构，以便如此经由活塞杆的纵向位移，使得操作装置进入操作。
活塞杆1的腔在两侧由插件10和封闭件20密封，因此防止渗透 、液体(例如液压液)。
用于按照本发明的压力缸的插件的一个举例实施例示于图5， 6 和7,分别以透视图、第一纵剖面图及第二纵剖面图示出。插件10的 第二端包括螺紋19，该螺紋19上可装上活塞。如进一步在图6纵剖 面图中示出，延伸进连续的注射通道11的一个注射孔12设在螺紋内。 注射通道11分枝成两个外流孔13， 14，外流孔13， 14设在插件的外 壁中。第三外流孔15用塞子18密封以防止粘接剂外流入活塞杆的腔 内。两个0形圏16， 17部分位于设在外流孔13， 14各侧的槽中。
如进一步在图7的纵剖面图中示出，两个进口孔42， 52相对于在 插件IO的外壁中的O形圏16， 17之间的外流孔(未示出)处在近端。 排出通道41， 51分别从两个进口孔42， 52延伸到在插件的近端的外 流孔43， 53。因此当在插件10和腔的壁之间的缝槽完全充满后，粘 结剂再通过排出通道流出。因此可十分肯定地确定插件10牢固地粘到 活塞杆。
用于本发明的压力缸的活塞的 一 个举例的实施例分别以透视图及 纵剖面图示于图8和9。位于金属活塞30内的中部的是用于接纳活塞 杆(未示出)的空间37。空间37在一个径向侧上接纳活塞杆(未示 出)的外端，并在近端变窄，以便在其中相配合地接纳插件(未示出) 的螺紋。
如进一步在图9的纵向剖面图示出，注射通道31从活塞的自由表 面上的注射孔32延伸到出口孔33 ，出口孔33与接纳活塞杆的空间37 敞开式连通。排出通道34从与接纳活塞杆的空间37敞开式连通的流 入孔35延伸到外流孔36。当活塞30安装在活塞杆上时，空间37变 窄以形成一个窄间隙(未示出)。粘结剂(如胶)可经注射通道流入该 间隙并经排出通道34流出时。当活塞连接到活塞杆，两者之间的空气 被粘结剂挤出，因此可以比较容易地确定何时活塞完全粘到活塞杆。 因此活塞和活塞杆之间的连接是可靠的，并防止活塞和活塞杆之间渗透液体，例如液压液，因此保持连接很可靠。
虽然本发明在仅仅一个单一的举例实施例的基础上进一步说明， 但很明显，这不意味着本发明仅限于该实施例。相反，对于本专业技 术人员，在本发明范围内可作出很多变型及实施例。如此例如活塞和 活塞杆形成整体一个部件以^^完全阻止渗漏液体。也应注意，在本申 请中当提及压力缸时，也被理解为指借助加在缸空间的压力把拉伸力 加到连接装置的缸。
权利要求
1.一种压力缸，包括一个缸空间，缸空间由缸壳体限界，在缸空间中有可沿轴向移动的配合活塞，其中至少基本由纤维复合材料制造的活塞杆从所述的活塞延伸出，所述的活塞杆主要包括在环绕的外套下的一层芯子材料，其特征在于，在所述的芯子材料中的至少基本上的复合材料纤维是至少几乎全是直的，并且定向成至少几乎与活塞杆的纵轴线平行，并且在所述的外套中的至少基本上的复合材料纤维以相对所述的活塞杆的纵轴线成一个角度缠绕着。
2. 按照权利要求1所述的压力缸，其特征在于所述的复合材料纤维包括高的强度重量比的纤维，特别是碳纤维。
3. 按照上述权利要求中的一个或多个所述的压力缸，其特征在于所述的外套包括带有实际上平的、光滑的表面的顶层。
4. 按照权利要求3所述的压力缸，其特征在于所述的顶层包括缠绕的纤维并已经受材料的去除处理。
5. 按照上述权利要求中的一个或多个的压力缸，其特征在于所述的活塞杆至少基本构造成围绕着一个中心管。
6. 按照权利要求5所述的压力缸，其特征在于沿着其长度的至少一部分，所述的管至少包括一个腔，所述的腔至少在所述的活塞杆的近端开口 。
7. 按照权利要求6所述的压力缸，其特征在于所述的活塞杆通过一个插件与所述的活塞连接，其中所述的插件的远端相配合地伸入在所述的活塞杆的近端的腔中，所述的插件的近端牢固地连接到所述的活塞。
8. 按照权利要求7所述的压力缸，其特征在于所述的插件包括至少一个注射通道，所述的注射通道在所述的插件近端的一个注射孔和一个外流孔之间延伸，所述的外流孔的开口开到在所述的插件远端的外壁和所述的活塞杆近端的内壁之间的一个缝槽中。
9. 按照权利要求8所述的压力缸，其特征在于一个气密地密封所述的缝槽的密封件，该密封件在所述的插件的外壁和所述的外端的内壁之间布置在所述的外流孔的任一侧。
10. 按照权利要求9所述的压力缸，其特征在于所述的密封件包括一个密封环， 一个槽在所述的外流孔的任一侧形成在所述的插件的外壁中，用于接纳所述的密封环。
11. 按照权利要求8-10中一项或多项所述的压力缸，其特征在于所述的插件包括至少一个与所述的注射通道敞开式连通的排出通道，所述的排出通道在所述的插件和所述的活塞杆的近端之间的缝槽位置处的进口孔与在所述的插件的近端的自由表面的排出孔之间延伸。
12. 按照权利要求7-11中一项或多项所述的压力缸，其特征在于所述的活塞包括在其自由表面上分别具有一个注射孔和一个外流孔的至少一个注射通道和至少一个排出通道，并且所述的注射通道和所述的排出通道通过在所述的活塞和所述的带插件的活塞杆之间的间隙相互敞开式连通。
13. 按照权利要求7-12中一项或多项所述的压力缸，其特征在于所述的活塞用螺紋柠在所述的插件上。
14. 按照权利要求7-13中一项或多项所述的压力缸，其特征在于所述的活塞和所述的插件由金属，特别是不锈钢制成。
15. —种以从复合材料纤维制的至少基本上的复合材料制造活塞杆的方法，其特征在于将浸有粘结剂的纤维拉过一个模具，并以拉直的形式将纤维形成一个芯子材料层，并且浸有粘结剂的纤维以一个角度缠绕在芯子材料层上而形成围绕的外套，在成形后，所述的芯子材料层和所述的外套固化。
16. 按照权利要求15的方法，其特征在于所述的芯子材料层分段制成段。
17. 按照权利要求15和16中一项或两项的方法，其特征在于以一个角度缠绕的纤维顶层磨光滑并磨到一定尺寸。
18. 按照权利要求15-17中一项或多项的方法，其特征在于所述的芯子材料粘到一个中心管上。
19. 按照权利要求15-17中一项或多项的方法，其特征在于所述 的活塞杆通过一个插件与一个活塞连接，所述的插件第一端粘到所述 的活塞杆，而第二端连接到所述的活塞。
20. 按照权利要求15-19中一项或多项的方法，其特征在于至少 一个活塞杆从一个长度更大的杆上切下。
全文摘要
压力缸包括带缸空间的缸壳体，相称的活塞可沿轴向在缸空间中移动。复合材料的活塞杆(1)从活塞延伸出。活塞杆(1)包括在外层的外套(5)下的一个芯子材料层(3)。芯子材料层(3)由定向成与活塞杆的纵轴线平行且拉直的复合材料纤维构成，外套(5)由以相对于纵轴线一角度缠绕的复合材料纤维构成。如此提供了带有可承受比较高的压力负载的、重量比较轻的活塞杆(1)的压力缸。因此活塞杆(1)要求较少的复合材料而保持强度仍一样。
文档编号F15B15/14GK101529101SQ200780024756
公开日2009年9月9日 申请日期2007年5月30日 优先权日2006年5月30日
发明者A·J·马尔斯乔克, F·巴斯 申请人:祖姆罗有限公司