DE3329001A1

DE3329001A1 - Pleuelstange aus faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE3329001A1
Application number: DE19833329001
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Chem. Dr. 7056 Weinstadt Kretschmer; Michael 7032 Sindelfingen Raitz; Thomas 7000 Stuttgart Wehr
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1983-08-11
Filing date: 1983-08-11
Publication date: 1984-12-20

Description

Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoff
Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoff mit geteiltem Fuß, insbesondere für Kraftmaschinen mit umlaufender Kurbelwelle.
Pleuelstangen aus Faserverbundwerkstoffen sind wegen des günstigen Verhältnisses von Festigkeit und Elastizitätsmoduls zur Masse des Bauteils in verschiedenen Ausführungsformen vorgeschlagen worden. So ist aus GB-PS 1 364 317 eine Pleuel bekannt, bei dem die die Zugspannungen aufnehmenden Fasern um das Pleuelauge herumgeführt sind und anschließend in dem teilbaren Pleuelfuß verankert sind. Allerdings ist der Faserstrang nicht in Form einer endlosen Schlaufe gewickelt, so daß die maximale Festigkeit nicht erreicht werden kann.
Aus DE-OS 29 51 111 ist eine Pleuelstange bekannt, bei der die die Zugspannungen aufnehmenden Fasern in Form einer Endlosschlaufe gewickelt sind. Um die Montage des Pleuelfußes auf der kurbelwelle zu ermöglichen, wird jedoch der Faserstrang im Bereich des Pleuelfußes durchschnitten und nach der Montage mit den oberen Teil durch Verkleben wieder ver- bunden. Durch diese Trennung wird die Faser im Bereich der Trenn- bzw. Klebenaht unterbrochen, wodurch die Funktion der Faser als zug- und druckbelastetes Bauteil nicht mehr gewährleistet ist. Die Festigkeit der Verbindung an der Klebestelle ist damit nicht durch die hohe Festigkeit der Fasern, sondern lediglich durch die Festigkeit des Klebestoffs bedingt.
Schließlich ist aus DE-OS 30 04 575 ein Pleuel mit geteiltem Fuß bekannt, bei dem die die Zugspannungen aufnehmenden Fasern in Form einer Endlosschleife um das Pleuelauge und um zwei im Bereich des Pleuelfußes angeordnete Anker laufen. Über an diesen Ankern angreifende Schraubenbolzen als Befestigungsmittel kann der obere Teil des Pleuelfußes mit dem unteren Teil des Pleuelfußes verbunden werden.
Allerdings ist die Achse des Ankers, um die das Faserbündel im Bereich des Pleuelfußes gewickelt wird, senkrecht zu der durch das Pleuelauge gebildeten Lagerachse angeordnet, so daß die Fasern im Bereich des Pleuelfußes nicht in Zugrichtung liegen, d.h. nicht i Richtung der Hauptspannungslinien. Sie können somit ihrer eigentlichen Aufgabe, die Zugspannungen aufzunehmen, nur eingeschränkt gerecht werden. Um diesem Nachteil zu entgehen, wurde das Faserbündel im Bereich des Pleuelfußes mit einer außerordentlichen dicken Metallummantelung versehen, die in diesem Bereich die Zugkräfte aufnehmen kann. Die Aluminiumumwandelung ist im übrigen um das gesamte Faserbündel, auch im Bereich des Pleuelauges herumgelegt und übernimmt zusätzlich die Aufgabe des die i)rucksp£iiinuiige. aufnehmenden Drucstücks zwischen Pleuelauge und Pleuelluß.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Pleuel stange aus Faserverbundwerkstoff mit geteiltem Fuß zu finden, bei der die die Zugspannungen aufnebemenden Fasern in Form einer Endlosschlaufe verlaufen und das Faserbündel im wesentlichen in Zugrichtung, d.h.
in Richtung der Hauptspannungslinien verläuft.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Pleuelstange gelöst.
Das auf Zug belastete Faserbündel wird somit im Bereich des Pleuelfußes über jeweils zwei Anker umgeleitet, deren Achsen parallel zu der durch das Pleuelauge gebildeten Lagerachse verlaufen. Dadurch verläuft das Faserbündel in Richtung der Hauptspannungslinien, wodurch eine maximal Ausnutzung der Festigkeitseigenschaften des Faserwerkstoffs erreicht werden kann. Diese Anker dienen gleichzeitig der Verbindung zum unteren Teil des geteilten Pleuelfußes. Der untere Teil des Pleuelfußes kann in herkömmlicher Weise ganz aus Metall bestehen, bevorzugt wird jedoch, wenn er ebenfalls aus Fasern in Form einer Endlosschlaufe gebildet wird, die um zwei Anker geführt wird, deren Achsen parallel zu der durch das Pleuelauge gebildeten Achse verlaufen. Der untere Teil des Pleuelfußes ist somit in der bevorzugten Ausführungsform hinsichtlich des Faserbündels von praktisch gleicher Konstruktion wie die pleuelstangen.
Zur Aufnahme der Druckspannungen ist zwischen Pleuelauge und Pleuelfuß ein Druckstück angebracht, das bevorzugt aus faserverstärktem Kunststoff besteht. Dieses Druckstück ist in an sich bekannter Weise aus 0/+ 45/90° Lagen von Fasern aufgebaut. Ein ähnlich aufgebautes Druckstück wird z.B. in DE-OS 29 51 112 gezeigt.
Als Verstärkungsfasern sind besonders Kohlenstoffasern geeignet, da sie eine hohe Festigkeit und einen großen Elastizitätsmodul aufweisen. Je nach den Anforderungen an die Festigkeit können jedoch auch andere Fasern zur Anwendung kommen, z.B. Aramidfasern oder Glasfasern. Als Matrix des Verbundwerkstoffs eignen sich insbesondere Epoxidharze oder Polyimidharze, jedoch sollen auch andere thermisch belastbare Harze wie z.B. Formaldehydharze nicht ausgeschlossen werden.
Die Herstellung der Pleuelstange erfolgt durch ein Wickelverfahren, bei dem um die beiden Anker eine definierte Menge der gewählten Fasern gewickelt wird. Die Fasern sind bereits mit dem Kunstharz getränkt. Anschließend wird in einer Vorrichtung die Endlosschlaufe um den das Pleuelauge bildenden Metalleinsatz, der der Aufnahme des Pleuellagers dient, gebogen, in Endstellung fixiert und ausgehärtet. Der untere Teil des Pleuelfußes wird, sofern er ebenfalls aus einer Endlosschlaufe gebildet werden soll, in gleicher Weise gewickelt und um eine Lageringhälfte des Pleuelfußes gebogen und ausgehärtet. Der Druckstempel und die obere llälftc des Lagerrings am Pleuel fuß können sowohl vor als auch nach dem Aushärten einge bracht werden. Zur Endmontagc werden die Lagerschalen in das Pleuel eingesetzt und die beiden Teile des Pleuelfußes über di die Anker mit Hilfe von Befestigungsmittel auf den erforderlichen Wert vorgespannt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildung beispielhaft erläutert. Es zeigen: Figur 1 die Gesamtansicht eines Pleuels, Figur 2 die Ansicht eines Druckstücks, Figuren 3 bis 6 verschiedene Ausführungsformen für die Anker.
Figur 1 zeigt ein vollständiges Pleuel mit Pleuelauge 1 und dem durch Metalleinsatz 5 und Lagerschale 6 gebildeten Pleuelfuß 4. Über das Pleuelauge 1 mit Metalleinsatz 2 und Lagerring 3 läuft das Faserbündel 7 in Form einer Endlosschlaufe zu den Ankern 8 bzw. 8a, an denen es umgelenkt wird. Der Anker 8 trägt einen senkrecht nach unten weisenden Bolzen 10, der mit einem Gewinde versehen ist.
Zwischen Pleuelauge 1 und dem durch Metalleinsatz 5 und Lagerschale 6 gebildeten oberen Teil des Pleuelfußes ist das Druckstück 9 zur Aufnahme der Druckspannungen angeordnet. Der untere Teil des Pleuelfußes besteht ebenfalls aus einer Endlosschlaufe 12, die an den Ankern 11 und lla umgelenkt ist und den Metalleinsatz 15 und die untere Lagerschalenhälfte 16 trägt. Der Anker 11 bzw. lla ist mittig mit einer Hülse versehen, durch die der Schraubenbolzen 10 bzw. 10a durchgesteckt und mittels der Muttern 14 bzw. 14a verschraubt ist. Das Druckstück 9, das in Figur 2 noch einmal dargestellt ist, hat entsprechende kreissegmentförmige Aussparungen zur Aufnahme der Metalleinsätze Es ist in Farm eines H-Protils ausgebildet mit zwei nußenliegenden Platten und einem mittig angerdneten Verbindungssteg 21 (gestrichelt gezeichnet).
Uie Anker, die der Umlenkung des Faserstranges dienen können die unterschiedlichsten Formen aufweisen. In Figur 3 wird ein röhrenförmiger Anker 30 mit einer zentralen Bohrung 31 gezeigt. An den Enden des Ankers sind Wülste 34 angebracht, die ein Abrutschen der nur ganz schematisch eingezeichneten Faserstränge 32 und 33 verhindern sollen. Durch die Bohrung 31 kann eine Schraube gesteckt werden, mittels derer sich der Anker an einem entsprechenden Gegenstück befestigen lassen kann.
In Figur 4 ist ein Anker 40 dargestellt, -der mit zwei Außenstücken 40 bzw. 40a versehen ist, die Bohrungen 41 bzw. 41a tragen, durch die der Anker mit einem Gegenstück verschraubt werden kann. In Figur 5 ist ein T-förintger Anker dargestellt, ähnlich dem Anker 8 in Figur 1. 13er Anker trägt wiederum einen Wulst 52 bzw.
52a zur Verhinderung des Abgleitens der Fasern sawie einen Gewindeansatz 51, der durch eien Hülse gefübri und durch Verschrauben mit dieser verbunden werden kann Figur 6 zoigt einen Anker ähnlich Figur 4. der eine ha sonders einfache Montage des geteilten Pleuelfußes ermöglicht. Der Anker trägt an den beiden Enden zwei Köpfe 60 bzw. 60a, die mit Schlitzen 61 versehen sind. Die Weite dieesr Schlitze entspricht dem Durchmesser der Verbindungsschraube mit der der Anker befestigt werden soll.
@@m ein Herausralschen der Schraube aus en Köpfen zu@ V< rh i i<l<rri i ricl <11 ( te köpf@ in i t ( i n< r r i @gesenkt en Zen 1 ri -rung 62 verschen. die den Kopl der Verbindungsschraube bzw. die Mutter aufnimmt. Die gezeigten Anerformen stel len lediglich Beispiele dar, und es ist selbstverständlich, daß ein Fachmann anband seines Fachwissens noch wellere Anerformen entwerfen kann.

Claims

Patentansprüche 1.) Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoff mit geteiltem ß mit einer die Druckkräfte zwischen Pleuelauge und Pleuelfuß aufnehmenden Aussteifung (Druckstück) und einer die Zugkräfte aufnehmenden Endlosschlaufe aus Verstärkungsfasern, die um das Pleuelauge und um zwei im Bereich des Pleuelfußes angeordnete Anker läuft und wobei der Pleuelfuß in einen oberen und unteren Teil geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Anker parallel zu der durch das Pleuel auge gebildeten Lagerachse verlaufen und die Anker über an den Ankern angreifende Befestigungsmittel mit dem unteren Teil des Pleuelfußes verbunden sind.
2. Pleuelstange nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der untere Teil des Pleuelfußes aus Faserverbundwerkstoff besteht, bei dem die Fasern in Form einer Endlosschlaufe um zwei Anker geführt sind, deren Achsen parallel zu der durch das Pleuelauge gebildeten Achse verlaufen
3. Pleuelstange nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Pleuelauge und Pleuelfuß ein an sich bekanntes Druckspannungen aufnehmendes Druckstück aus Faserverbundwerkstoff angeordnet ist.