DE10207981A1 - Connecting rod for IC engine comprises U-shaped outer section, which fits around outside of big end, and inner section which contains big end and little end and is fastened to this by nut and bolt - Google Patents
Connecting rod for IC engine comprises U-shaped outer section, which fits around outside of big end, and inner section which contains big end and little end and is fastened to this by nut and boltInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Pleuel, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welches zu seinem überwiegend größten Teil aus einem Verbundwerkstoff besteht, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. The invention relates to a connecting rod, in particular for an internal combustion engine, which is predominantly to his largest part of a composite material, after in the preamble of claim 1 defined in more detail Art.
Die EP 0 678 681 B1 beschreibt ein gattungsgemäßes Pleuel. Derartige Pleuel aus Verbundwerkstoffen, also aus einem Material mit einer Faden- oder Faserarmierung, die in eine ausgehärtete Matrix aus Kunststoff oder dergleichen eingebettet ist, weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Festigkeit, eine ausreichende Temperaturbeständigkeit und insbesondere eine sehr geringe Dichte auf. Aus diesen Gründen können solche Pleuel beispielsweise im Motorsport eingesetzt werden, wo die hohen Kosten eine geringere Rolle spielen. EP 0 678 681 B1 describes a generic Connecting rods. Such connecting rods made of composite materials, ie made of a material with a thread or Fiber reinforcement made into a cured matrix of plastic or the like, have a high Corrosion resistance, high strength, one sufficient temperature resistance and in particular a very low density. For these reasons For example, such connecting rods can be used in motorsport be used where the high cost less of a role play.
Bezüglich weiterer Pleuel, die von Verbundwerkstoffen Gebrauch machen, wird auf die DE 37 08 760 A1, die DE 36 10 134 C2, die JP 0620124310 AA, die DE 33 29 001 A1, die JP 0580156714 AA und die DE 29 51 112 C2 verwiesen. Regarding other connecting rods made of composite materials Use is made to DE 37 08 760 A1, DE 36 10 134 C2, JP 0620124310 AA, DE 33 29 001 A1, JP 0580156714 AA and DE 29 51 112 C2 directed.
Nachteilig bei dem gattungsgemäßen Pleuel ist, wie bei sämtlichen anderen derartigen Pleueln, daß die Verbindung der beiden Pleuelteile im Bereich des großen Auges die Dauerfestigkeit des gesamten Pleuels aufgrund der hierfür erforderlichen Bohrungen erheblich verringert. Dadurch müssen solche Pleuel gegenüber gewöhnlichen Pleueln aus metallischen Werkstoffen meist überdimensioniert werden, um Beschädigungen im Betrieb zu vermeiden. A disadvantage of the generic connecting rod, as at all other such con rods that the Connection of the two connecting rods in the area of the large Auges the fatigue strength of the entire connecting rod due the required drilling significantly reduced. As a result, such connecting rods have to face ordinary connecting rods made of metallic materials usually Be oversized to damage during operation avoid.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Pleuel aus einem Verbundwerkstoff zu schaffen, welches bei einer möglichst geringen Baugröße eine möglichst hohe Festigkeit aufweist. It is therefore an object of the present invention to provide a Connecting rod to create a composite material, which with the smallest possible size as possible has high strength.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. According to the invention this object is achieved by the in Claim 1 mentioned features.
Durch die erfindungsgemäße Teilung der beiden Pleuelteile im wesentlichen in Längsrichtung der Pleuelstange und die Verbindung in einer im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Pleuelstange verlaufenden Richtung kann das erfindungsgemäße Pleuel mit einer sehr geringen Baugröße ausgeführt werden, da der die hohe Festigkeit des Pleuels gewährleistende Verbundwerkstoff durch die für das Verbindungselement gegebenenfalls erforderliche Querbohrung kaum geschwächt wird und somit vorteilhafterweise keine Überdimensionierung erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht eine günstige Krafteinleitung, da eine Umlenkung der Fasern nicht erforderlich ist und der verwendete Verbundwerkstoff nur eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber einer Kerbwirkung aufweist. By the division according to the invention of the two Connecting rod parts substantially in the longitudinal direction of Connecting rod and the connection in a substantially perpendicular to the longitudinal direction of the connecting rod extending direction, the connecting rod according to the invention with be made of a very small size, since the ensuring the high strength of the connecting rod Composite by the for the connecting element possibly required transverse bore hardly weakened and thus advantageously no Oversizing is required. The inventive Construction allows a favorable force transmission, since a deflection of the fibers is not required and the composite used only a very small Having sensitivity to a notch effect.
Durch die geringe Baugröße und die sich hieraus ergebende geringe Masse des erfindungsgemäßen Pleuels sind bei der Verwendung desselben in einer Brennkraftmaschine vorteilhafterweise sehr hohe Drehzahlen möglich. Due to the small size and the resulting resulting low mass of the connecting rod according to the invention are when using the same in one Internal combustion engine advantageously very high speeds possible.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Pleuels ist die Tatsache, daß für das Erreichen einer festen Verbindung zwischen den beiden Pleuelteilen in einer einfachen Ausführung lediglich ein einziges Verbindungselement erforderlich ist, was sowohl den Material- und damit Kostenaufwand verringert als auch eine einfachere Montage ermöglicht. Another advantage of the connecting rod according to the invention is the fact that for achieving a fixed Connection between the two connecting rods in one simple design only a single Connecting element is required, which is both the material and thus reducing costs as well as one simpler installation allows.
Zum Erreichen einer Verdrehsicherung zwischen den beiden Pleuelteilen kann in einer vorteilhaften Ausführungsform zusätzlich zu dem ersten Verbindungselement wenigstens ein weiteres Verbindungselement vorgesehen sein. To achieve a rotation between the Both connecting rods can be in a favorable Embodiment in addition to the first connecting element provided at least one further connecting element his.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel. Further advantageous embodiments and Further developments of the invention will become apparent from the remaining Subclaims and from the below with reference to the Drawing shown in principle Embodiment.
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Pleuel im Schnitt; und Fig. 1 shows an inventive connecting rods in section; and
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II aus Fig. 1. Fig. 2 shows a section along the line II-II in FIG. 1.
Ein Pleuel 1 gemäß Fig. 1 für eine in ihrer Gesamtheit nicht dargestellte Brennkraftmaschine weist in an sich bekannter Weise ein großes Auge 2 zur Verbindung des Pleuels 1 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle und ein kleines Auge 3 zur Verbindung des Pleuels 1 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Kolben auf. Die Verbindung des Pleuels 1 mit der Kurbelwelle und dem Kolben an den beiden Augen 2 und 3 kann in an sich bekannter Weise erfolgen, so daß zur Anbringung des Kolbens an dem kleinen Auge 3 beispielsweise ein Kolbenbolzen erforderlich sein kann. A connecting rod 1 according to FIG. 1 for an internal combustion engine, not shown in its entirety, has, in a manner known per se, a large eye 2 for connecting the connecting rod 1 to a crankshaft, not shown, and a small eye 3 for connecting the connecting rod 1 to a likewise not shown Piston on. The connection of the connecting rod 1 with the crankshaft and the piston on the two eyes 2 and 3 can be done in a conventional manner, so that for attaching the piston to the small eye 3, for example, a piston pin may be required.
Das Pleuel 1 weist in an sich bekannter Weise zwei Pleuelteile 4 und 5 auf, die jedoch, wie im folgenden näher beschrieben wird, völlig anders als diejenigen bislang bekannter Pleuel aufgebaut und insbesondere miteinander verbunden sind. So wird das erste Pleuelteil 4, welches das kleine Auge 3 aufweist, von dem zweiten Pleuelteil 5 an seiner Außenkontur umschlossen, wobei das zweite Pleuelteil 5 hierzu im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist. Sowohl das erste Pleuelteil 4 als auch das zweite Pleuelteil 5 weisen jeweils Schlaufen 4a und 5a auf, welche, wenn die beiden Pleuelteile 4 und 5 wie im folgenden beschrieben miteinander verbunden werden, gemeinsam das große Auge 2 bilden. Das erste Pleuelteil 4 weist des weiteren eine das große Auge 2 mit dem kleinen Auge 3 verbindende Pleuelstange 6 auf. The connecting rod 1 has in known manner two connecting rods 4 and 5 , which, however, as described in more detail below, built completely different from those previously known connecting rods and in particular are interconnected. Thus, the first connecting rod part 4 , which has the small eye 3 , enclosed by the second Pleuelteil 5 on its outer contour, the second Pleuelteil 5 is formed for this purpose substantially U-shaped. Both the first Pleuelteil 4 and the second Pleuelteil 5 each have loops 4 a and 5 a, which, when the two connecting rods 4 and 5 are connected together as described below, together form the large eye 2 . The first connecting rod part 4 furthermore has a connecting rod 6 connecting the large eye 2 with the small eye 3 .
Die beiden Pleuelteile 4 und 5 sind im wesentlichen in Längsrichtung der Pleuelstange 6 voneinander getrennt und mit einem im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Pleuelstange 6 angeordneten, die Zugkräfte zwischen den beiden Pleuelteilen 4 und 5 aufnehmenden Verbindungselement 7 kraftschlüssig miteinander verbunden. Diese Anordnung des Verbindungselementes 7 in Querrichtung des Pleuels 1 wird also dadurch ermöglicht, daß die beiden Pleuelteile 4 und 5 nicht wie bei bekannten Pleueln in Querrichtung, sondern in Längsrichtung der Pleuelstange 6 geteilt sind. The two connecting rod parts 4 and 5 are separated from each other substantially in the longitudinal direction of the connecting rod 6 and arranged with a substantially perpendicular to the longitudinal direction of the connecting rod 6 , the tensile forces between the two connecting rods 4 and 5 receiving connecting element 7 positively connected to each other. This arrangement of the connecting element 7 in the transverse direction of the connecting rod 1 is thus made possible by the fact that the two connecting rod parts 4 and 5 are not divided in the transverse direction as in known connecting rods, but in the longitudinal direction of the connecting rod 6 .
Dadurch, daß das Pleuelteil 5 nach oben in Richtung des Pleuelteils 4 gezogen ist und dieses überlappt, ergeben sich zwei sehr große, in Längsrichtung der Pleuelstange 6 verlaufende Trennflächen 8 und 9, an denen die beiden Pleuelteile 4 und 5 miteinander in Verbindung stehen. An diesen beiden Trennflächen 8 und 9 können die beiden Pleuelteile 4 und 5 außerdem miteinander verklebt sein, um eine noch bessere Festigkeit der Verbindung zwischen den beiden Pleuelteilen 4 und 5 zu erreichen und Mikrobewegungen zu verhindern. The fact that the connecting rod 5 is pulled upward in the direction of the connecting rod 4 and this overlaps, there are two very large, extending in the longitudinal direction of the connecting rod 6 separating surfaces 8 and 9 , where the two connecting rods 4 and 5 communicate with each other. At these two parting surfaces 8 and 9 , the two connecting rods 4 and 5 may also be glued together to achieve an even better strength of the connection between the two connecting rod parts 4 and 5 and to prevent micro-movements.
Nach dieser möglichen Verklebung der beiden Pleuelteile 4 und 5 werden zwei weitere Verbindungselemente 10 in jeweilige Bohrungen 11 in den beiden Pleuelteilen 4 und 5 eingebracht, welche im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Pleuelstange 6 verlaufen. Diese beiden, im vorliegenden Fall als Paßstifte ausgebildeten Verbindungselemente 10 stellen eine Verdrehsicherung der beiden Pleuelteile 4 und 5 gegenüber einander sicher. Anschließend wird das erste Verbindungselement 7, welches im vorliegenden Fall eine Schraube 12 und eine zugehörige Mutter 13 aufweist, durch eine ebenfalls im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Pleuelstange 6 verlaufende Bohrung 14 hindurchgeführt und die beispielsweise aus einem hochfesten Stahl bestehende Schraube 12 wird mit der Mutter 13 fest verschraubt. Alternativ hierzu könnten sich in dem Pleuelteil 4 auch Gewinde befinden, in welche zwei Schrauben, die dann das Verbindungselement 7 darstellen würden, eingeschraubt werden könnten. After this possible bonding of the two connecting rod parts 4 and 5 , two further connecting elements 10 are introduced into respective bores 11 in the two connecting rod parts 4 and 5 , which extend substantially perpendicular to the longitudinal direction of the connecting rod 6 . These two, formed in the present case as dowel pins connecting elements 10 provide a rotation of the two connecting rods 4 and 5 with respect to each other. Subsequently, the first connecting element 7 , which has a screw 12 and an associated nut 13 in the present case, passed through a likewise substantially perpendicular to the longitudinal axis of the connecting rod 6 extending bore 14 and the existing example of a high-strength steel screw 12 is connected to the Nut 13 firmly screwed. Alternatively, in the connecting rod 4 could also be threaded, in which two screws, which would then represent the connecting element 7 , could be screwed.
Der beschriebene Aufbau des Pleuels 1 kommt zum Einsatz, wenn die beiden Pleuelteile 4 und 5 aus einem Verbundwerkstoff bestehen, der im vorliegenden Fall eine Matrix 15 aus Kunstharz und darin eingebettete Fasern 16 und 17 aus einem Kohlenstoffwerkstoff aufweist. Als Kunstharze für die Matrix 15 können dabei beispielsweise Epoxid-, Polyester-, Polyimid-, Polybismaleimid, oder Zyanester-Phenolharze verwendet werden. Die Fasern 16 und 17 bestehen vorzugsweise aus Karbon oder aus Keramik, beispielsweise aus Siliziumkarbid, oder aus einer Mischung verschiedener Fasern, gegebenenfalls auch unter Verwendung von Glasfasern. Die Herstellung des Verbundwerkstoffes, der dem Pleuel 1 eine sehr hohe Festigkeit verleiht, ist allgemein bekannt, weshalb im folgenden nicht detailliert darauf eingegangen wird. The described construction of the connecting rod 1 is used when the two connecting rods 4 and 5 consist of a composite material which in the present case has a matrix 15 made of synthetic resin and fibers 16 and 17 embedded therein of a carbon material. Epoxy, polyester, polyimide, polybismaleimide, or cyanester phenolic resins can be used as synthetic resins for the matrix 15 . The fibers 16 and 17 are preferably made of carbon or of ceramic, for example of silicon carbide, or of a mixture of different fibers, optionally also using glass fibers. The production of the composite material which gives the connecting rod 1 a very high strength is generally known, which is why it will not be discussed in detail below.
Wie in Fig. 1 erkennbar, verläuft der größte Teil der Fasern, nämlich die Fasern 16, entlang der Außenkontur der beiden Pleuelteile 4 und 5. Ein Teil der Fasern, nämlich die Fasern 17, verläuft jedoch auch in einem Winkel von vorzugsweise 45° um die entlang der Außenkontur der beiden Pleuelteile 4 und 5 verlaufenden Fasern 16. Die in einem Winkel von ca. 45° verlaufenden Fasern 17 haben in dieser Ausführung einen Anteil von ca. 30%, wohingegen die parallel zu der Außenkontur verlaufenden Fasern 16 einen Anteil von ca. 70% an den gesamten Fasern besitzen. Diese Anteile können selbstverständlich in Abhängigkeit von der Geometrie und der zu erwartenden Beanspruchung des Pleuels 1 variieren. Durch die Aufteilung in die beschriebenen Fasern 16 und 17 wird eine größtmögliche Festigkeit des Pleuels 1 erreicht, wobei der Verlauf der Fasern 16 und 17 gemäß Fig. 1 als rein beispielhaft anzusehen ist. As can be seen in FIG. 1, most of the fibers, namely the fibers 16 , run along the outer contour of the two connecting rod parts 4 and 5 . However, part of the fibers, namely the fibers 17 , also runs at an angle of preferably 45 ° about the fibers 16 running along the outer contour of the two connecting rod parts 4 and 5 . The fibers 17 running at an angle of approximately 45 ° have a proportion of approximately 30% in this embodiment, whereas the fibers 16 running parallel to the outer contour have a proportion of approximately 70% of the total fibers. Of course, these proportions may vary depending on the geometry and expected stress of the connecting rod 1 . By dividing into the described fibers 16 and 17 a maximum strength of the connecting rod 1 is achieved, wherein the course of the fibers 16 and 17 as shown in FIG. 1 is to be regarded as purely exemplary.
Um eine einfachere Herstellbarkeit der beiden Pleuelteile 4 und 5 zu ermöglichen, können die Fasern 16 und 17 jeweils in nur teilweise angedeutete Faserschläuche 18 eingebettet sein, welche außerdem eine Spaltung der Fasern 16 und 17 durch aufgrund des Verbindungselementes 7 eingeleiteter Querkräfte verhindern. In order to make it easier to manufacture the two connecting rod parts 4 and 5 , the fibers 16 and 17 may each be embedded in only partially indicated fiber tubes 18 , which also prevent splitting of the fibers 16 and 17 by transverse forces introduced by the connecting element 7 .
In dem Schnitt gemäß Fig. 2 ist die Kontur des ersten Pleuelteils 4 erkennbar, welches im Querschnitt doppel-T-förmig bzw. H-förmig ausgebildet ist. Der Mittelteil 4b des ersten Pleuelteiles 4, also derjenige Teil, der sich zwischen den beiden Teilen der Schlaufe 4a befindet, weist eine wesentlich geringere Dicke auf, da die in diesem Bereich auftretenden Druckkräfte geringer sind als die Zugkräfte an den Schlaufe 4a und 5a. Je nach Art der Belastung des Pleuels 1 sind allerdings auch andere Querschnitte denkbar. In the section according to FIG. 2, the contour of the first connecting rod part 4 can be seen , which in cross-section is double-T-shaped or H-shaped. The middle part 4 b of the first Pleuelteiles 4 , ie that part which is located between the two parts of the loop 4 a, has a much smaller thickness, since the compressive forces occurring in this area are less than the tensile forces on the loop 4 a and 5 a. Depending on the nature of the load of the connecting rod 1 , however, other cross sections are conceivable.
Im Bereich des Mittelteils 4b sind die Fasern 16 und 17 bzw. einzelne vor dem Einlegen in die zum Herstellen des Verbundwerkstoffes erforderliche Form gebildete Faserstränge mittels eines Fadens 19 miteinander vernäht, um eine höhere Festigkeit, insbesondere gegenüber einer Druckbelastung zu erreichen. Es ist dabei möglich, den Faden 19 als Nähfaden oder als Heftfaden zu verwenden. In the region of the middle part 4 b, the fibers 16 and 17 or individual fiber strands formed prior to insertion into the mold required for producing the composite material are sewn together by means of a thread 19 in order to achieve a higher strength, in particular with respect to a compressive load. It is possible to use the thread 19 as sewing thread or as a stitching thread.
Aufgrund der im wesentlichen entlang der Außenkontur der beiden Pleuelteile 4 und 5, also entlang der Schlaufen 4a und 5a, verlaufenden Fasern 16 wird die Festigkeit des Pleuels 1 durch die Bohrung 14 für das Verbindungselement 7 kaum verringert, da der beschriebene Verbundwerkstoff auf derartige Querschnittsverringerungen aufgrund seiner hohen Lochleibungsfestigkeit sehr unkritisch reagiert und eventuelle Ausreißkräfte durch das Verbindungselement 7 keine Beschädigungen verursachen können. Dadurch kann das Pleuel 1 sehr gering dimensioniert werden und damit eine geringe Masse aufweisen. Mit einem solchen Pleuel 1 sind im Einsatz desselben bei Brennkraftmaschinen aufgrund der reduzierten Schwungmassen erheblich größere Drehzahlen möglich. Due to the substantially along the outer contour of the two connecting rods 4 and 5 , ie along the loops 4 a and 5 a, extending fibers 16 , the strength of the connecting rod 1 is hardly reduced by the bore 14 for the connecting element 7 , since the composite material described in such Due to its high bearing fatigue strength, cross-sectional reduction is very uncritical and any possible tear-out forces caused by the connecting element 7 can not cause any damage. As a result, the connecting rod 1 can be dimensioned very small and thus have a low mass. With such a connecting rod 1 considerably larger speeds are possible in use of the same in internal combustion engines due to the reduced centrifugal masses.
Innerhalb des großen Auges 2 und gegebenenfalls auch innerhalb des kleinen Auges 3 befinden sich Lagerschalen 20 und 21, welche jeweils aus Halbschalen 20a und 20b bzw. 21a und 21b bestehen. Vor der Montage des Pleuels 1 können die Lagerelemente 20 und 21 noch mechanisch bearbeitet werden, um eine ausreichend hohe Genauigkeit zu erreichen. Within the large eye 2 and possibly also within the small eye 3 are bearing shells 20 and 21 , which each consist of half-shells 20 a and 20 b and 21 a and 21 b. Before assembly of the connecting rod 1 , the bearing elements 20 and 21 can still be machined to achieve a sufficiently high accuracy.
Die Halbschalen 20a, 20b, 21a und 21b weisen an ihrem jeweiligen Innenumfang, also an ihrer der Kurbelwelle bzw. dem Kolbenbolzen zugewandten Seite, ein beispielsweise aus Messing oder einem anderen geeigneten Lagerwerkstoff bestehendes Blech und an ihrer der Matrix 15 zugewandten Seite einen Filz auf, der sich bei der Herstellung des Verbundwerkstoffes mit der Matrix 15 verbindet und so ein festes Bestandteil des Pleuels 1 wird. Das Blech und der Filz können beispielsweise durch Löten oder Sintern miteinander verbunden werden. The half-shells 20 a, 20 b, 21 a and 21 b have at their respective inner circumference, ie at its crankshaft or the piston pin side facing, for example, made of brass or other suitable bearing material existing sheet metal and on its side facing the matrix 15 side a felt, which connects in the manufacture of the composite with the matrix 15 and so becomes a permanent part of the connecting rod 1 . The sheet and the felt can be joined together, for example, by soldering or sintering.
Des weiteren ist es möglich, daß das Blech auf der der Matrix zugewandten Seite eine Mikrostruktur aufweist, welche z. B. durch das Aufsintern von zuvor aufgesprühtem Metallpulver entstehen kann. Dadurch wird eine bessere Haftung ohne zusätzliches Kleben erreicht und es kann gegebenenfalls auf den oben beschriebenen Filz verzichtet werden, so daß das Blech direkt mit der Matrix verbunden wäre. Furthermore, it is possible that the sheet on the Matrix-facing side has a microstructure, which z. B. by the sintering of previously sprayed metal powder can arise. This will be a better adhesion achieved without additional gluing and It may optionally affect the felt described above be dispensed so that the sheet directly with the Matrix would be connected.
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| DE (1) | DE10207981A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014091514A1 (en) * | 2012-12-13 | 2014-06-19 | Tepco Srl - Tecnologie Dei Polimeri E Dei Compositi | Innovative connecting rod in composite material |
| DE102016217963A1 (en) | 2016-09-20 | 2018-03-22 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Coupling element for a crank mechanism |
-
2002
- 2002-02-25 DE DE2002107981 patent/DE10207981A1/en not_active Withdrawn
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