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PATENTANSPRÜCHE
1. Längliches Kraftübertragungselement, das entlang seines Längenverlaufs mit zumindest zwei Kraftangriffs stellen (1,2 bzw. 1, 17, 18), davon zumindest einer in Form eines Lagerauges (1), versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrstückig ist, einen Schaft (3) und einen Mantel (4 bzw. 13) aufweist, wobei der Mantel (4 bzw. 13) den Schaft (3) und das zumindest ein Lagerauge (1) umschliesst, dass Stücke des Elements Faserverbundwerkstoff enthalten, und dass die Stücke miteinander verklebt sind.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Lageraugen (1, 2) aufweist, zwischen denen der Schaft (3) liegt, der mit seinen Enden an der Mantelfläche der beiden Lageraugen (1, 2) angeklebt ist, und dass der Mantel (4) ebenfalls an den beiden Lageraugen (1, 2) und dem Schaft (3) angeklebt ist (Fig. 1, 2).
3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (4) als endlose längliche Hülle ausgebildet ist (Fig. 1, 2).
4. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (13) als Schlaufe ausgebildet ist, deren Enden (14, 15) miteinander verbunden sind (Fig. 3-5).
5. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Faserverbundwerkstoffe aus verschiedenen Materialien vorhanden sind.
6. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (10) eines ersten Faserverbundwerkstoffes das zumindest ein Lagerauge (1) ringförmig umgeben, dass die Fasern (9) eines zweiten Faserverbundwerkstoffes sich längs des Mantels (4 bzw. 13) erstrecken, und dass die Fasern (12) eines dritten Faserverbundwerkstoffes sich längs des Schaftes (3) und rechtwinklig zur Achse des zumindest einen Lagerauges (1) erstrecken.
7. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Faserverbundstoff aus verschiedenen Materialien vorhanden ist, und zwar mit Harzmatrix imprägnierte Kohlenstoffaserbahnen und Borfaserbahnen (5-8, 16).
8. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es neben dem Schaft mit einem Lagerauge (1) ein geteiltes Lager mit zwei Lagerschalen (17, 18) sowie den als Schlaufe vorliegenden Mantel (13) aufweist (Fig. 3-5).
9. Verfahren zur Herstellung des Elements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das eine Lagerauge (1) als Rohrabschnitt entsteht, wobei das Rohr durch Wickeln von mit Bindemittel imprägnierten Chemiefaserbahnen unter verschiedenen Wickelwinkeln bezüglich der Rohrachse gebildet wird, dass der Schaft (3) als Plattenausschnitt entsteht, wobei die Platte durch Legen einer Vielzahl von mit Bindemittel imprägnierten Chemiefaserbahnschichten gebildet wird, dass der Mantel entweder, bei einer Ausbildung als endlose längliche Hülle (4), gleichartig wie das Lagerauge (1) oder, bei einer Ausbildung als Schlaufe (13), wie die Platte für den Schaft (3) gebildet wird, die dann zu einer Schlaufe gebogen wird, und dass dann das zumindest eine Lagerauge (1), der Schaft (3) und der Mantel (4 bzw. 13) miteinander verklebt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden des zumindest einen Lagerauges (1) und zum Bilden eines als endlose längliche Hülle vorliegenden Mantels (4) die Chemiefaserbahnen mit zumindest drei verschiedenen Wickelwinkeln auf einem Dorn zu einer Rolle aufgewickelt werden, worauf dann die Rolle mit Kreisquerschnitt bzw. mit länglichem Querschnitt in Abschnitte getrennt wird, die die Lageraugenbreite bzw. die Mantelbreite bestimmt.
11. Verwendung des Elements nach Anspruch 1 als Pleuel bei einer Brennkraftmaschine.
Die Erfindung betrifft ein längliches Kraftübertragungselement, das entlang seines Längenverlaufs mit zumindest zwei Kraftangriffsstellen, davon zumindest einer in Form eines Lagerauges, versehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen länglichen Kraftübertragungselementes sowie eine Verwendung dieses Kraftübertragungselements als Pleuel bei einer Brennkraftmaschine.
Das längliche Kraftübertragungselement kann z.B. eine Schubstange wie Pleuel, ein Hebel oder Drehstab sein. Solche Kraftübertragungselemente können auf Zug, Druck, Biegung und Torsion beansprucht werden. Liegt das Kraftübertragungselement als Pleuel für eine Brennkraftmaschine vor, so soll das Pleuel wegen den Massenkräften bei den gegebenen Beanspruchungen möglichst leicht hergestellt werden können. Um dies zu erreichen, sind bereits Pleuel aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt worden. Hierfür wurden bereits Kohlenstoff-Fasern mit einem aushärtbaren Kunstharz verwendet. Dieser Faserverbundwerkstoff wurde zu einer Platte geformt, aus der dann das ganze Pleuel einstückig herausgefräst wurde.
Ein solches Pleuel hat den Nachteil, dass der Faserverlauf im Bereich der beiden Lageraugen, nämlich zwischen Lagerauge und dem jeweiligen Pleuelende, sehr ungünstig ist, so dass aus diesem Grunde das Pleuel nicht in der wünschenswerten dünnen Weise und damit leichten Bauweise gefertigt werden kann. Weiterhin hat ein solches Pleuel den Nachteil, dass es nur mit geschlossenen Lageraugen hergestellt werden kann, falls die nachteiligen Lagerdeckelschrauben vermieden werden, so dass dann dieses Pleuel entweder nur für l-zylindrische Motoren verwendbar ist, bei denen die das Gegengewicht bildende eine Kurbelwellenwange abschraubbar ist, oder ein solches Pleuel kann nur dann für mehr-zylindrische Motoren verwendet werden, wenn die Kurbelwelle im Bereich des Kurbelwellenzapfens geteilt, z.B. mit einer Hirth-Verzahnung versehen ist.
Es wird die Schaffung eines länglichen Kraftübertragungselementes bezweckt, bei dem die vorerwähnten Nachteile vermieden werden können.
Das erfindungsgemässe Kraftübertragungselement ist dadurch gekennzeichnet, dass es mehrstückig ist, einen Schaft und einen Mantel aufweist, wobei der Mantel den Schaft und das zumindest eine Lagerauge umschliesst, dass Stücke des Elements Faserverbundwerkstoff enthalten, und dass die Stücke miteinander verklebt sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung des Kraftübertragungselementes ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das eine Lagerauge als Rohrabschnitt entsteht, wobei das Rohr durch Wickeln von mit Bindemittel imprägnierten Chemiefaserbahnen unter verschiedenen Wikkelwinkeln bezüglich der Rohrachse gebildet wird, dass der Schaft als Plattenausschnitt entsteht, wobei die Platte durch Legen einer Vielzahl von mit Bindemittel imprägnierten Chemiefaserbahnschichten gebildet wird, dass der Mantel entweder, bei einer Ausbildung als endlose, längliche Hülle, gleichartig wie das Lagerauge oder, bei einer Ausbildung als Schlaufe, wie die Platte für den Schaft gebildet wird, die dann zu einer Schlaufe gebogen wird, und dass dann das zumindest eine Lagerauge, der Schaft und der Mantel miteinander verklebt werden.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des als Pleuel ausgebildeten Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 die Einzelteile eines Pleuels mit geschlossenen Lageraugen,
Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigten Einzelteile des Pleuels im zusammengebauten Zustand,
Fig. 3 die Einzelteile einer zweiten Ausführungsform des
Pleuels, bei dem ein geteiltes Lagerauge vorhanden ist,
Fig. 4 ein Montageschritt des Pleuels nach Fig. 3, und
Fig. 5 das aus den Einzelteilen nach Fig. 3 zusammengebaute Pleuel.
Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Pleuel hat zwei geschlossene Lageraugen 1 und 2, einen Schaft 3 und einen Mantel 4.
Dieses Pleuel ist ein längliches Kraftübertragungselement mit zwei Kraftangriffsstellen, die in den beiden Lageraugen 1 und 2 liegen, wobei das Lagerauge 1 dazu bestimmt ist, auf einem Kolbenbolzen montiert zu werden, wogegen die Lagerbüchse 2 dazu bestimmt ist, auf einem Kurbelzapfen gelagert zu werden. Hierzu können in die Lageraugen 1 und 2 noch Lagerbüchsen eingesetzt werden. Zwischen den beiden Lageraugen 1 und 2 liegt also der Schaft 3, der in Fig. 2 mit seinen Enden an der Mantelfläche der beiden Lageraugen 1 und 2 angeklebt ist. Der Mantel 4 ist in Fig. 2 ebenfalls an den beiden Lageraugen 1 und 2 und an dem Schaft 3 angeklebt.
Beim Beispiel nach den Fig. 1 und 2 ist der Mantel 4 als endlose, längliche Hülle ausgebildet. Dieses Pleuel besteht also aus vier Stücken, die miteinander verklebt sind. Der Mantel 4 umschliesst hierbei den Schaft 3 und die beiden Lageraugen 1 und 2. Die Bauteile 1 bis 4 bestehen aus Faserverbundwerkstoffen von verschiedenen Materialien. Es werden hierfür Chemiefasern verwendet, die in einer Harzmatrix eingebettet liegen. Im vorliegenden Fall kamen als Chemiefasern Kohlenstoff-Fasern und Bor-Fasern zur Verwendung, die in Phenolharz eingebettet sind. Zur Definition der Chemiefasern siehe Römpps Chemie-Lexikon, 7. Auflage, Seite 1085. Mit Phenolharz imprägnierte Kohlenstoff-Fasern sind als sog.
Prepreg im Handel. Bor-Faserbahnen sind ebenfalls im Handel. In Fig. 1 sind die Bor-Faserbahnen 5, 6, 7 und 8 schematisch dargestellt. Ist eine solche Bor-Faser-Bahn als Gewebe ausgebildet, so liegen die Kett-Fäden in der Richtung der Doppelpfeile 9 bis 12. Die Kohlenstoff-Fasern des Prepreg erstrecken sich ebenfalls in Richtung des Doppelpfeiles 12. Wie später noch erläutert wird, sind Kohlenstoff Fasern vorhanden, die auch in Richtung der Doppelpfeile 9 bis 11 verlaufen. Zusätzlich sind aber auch noch Kohlenstoff Fasern vorhanden, die unter einem Winkel von +60 sowie -60 bezüglich der Doppelpfeile 9 bis 11 geneigt liegen. Das Material, aus dem das Lagerauge 1 besteht, wird als erster Faserverbundwerkstoff bezeichnet. Das Material, aus dem der Mantel 4 besteht, wird als zweiter Faserverbundwerkstoff bezeichnet.
Das Material, aus dem der Schaft 3 besteht, wird als dritter Faserverbundwerkstoff bezeichnet. Auf diese Weise kann man dann das Material, aus dem das Lagerauge 2 besteht, als vierten Faserverbundwerkstoff bezeichnen. Man kann deshalb sagen, dass Kraftübertragungs-Fasern des ersten Faserverbundwerkstoffes das Lagerauge 1 ringförmig umgeben, dass Fasern des zweiten Faserverbundwerkstoffes sich längs des Mantels 4 erstrecken, dass Fasern des dritten Faserverbundwerkstoffes sich längs des Schaftes 3 und rechtwinklig zur Achse des Lagerauges 1 erstrecken, und dass Fasern des vierten Faserverbundwerkstoffes das Lagerauge 2 ringförmig umgeben. Die Herstellung des Pleuels nach den Fig. 1 und 2 wird später erläutert.
Im folgenden wird die Ausbildung der zweiten Ausführungsform des Pleuels nach den Fig. 3 bis 5 angegeben.
Dieses Pleuel hat wiederum das Lagerauge 1 und den Schaft 3. Es ist ein Mantel 13 vorhanden, der als Schlaufe ausgebildet ist, deren Enden 14 und 15 miteinander verbunden sind. Es sind schematisch gezeigte Bor-Faserschichten 16 vorhanden. Bei diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die Kett Fäden der Bor-Faserbahnen 16 ausschliesslich in Richtung des Doppelpfeiles 9. Die Kohlenstoffäden verlaufen parallel bzw. wiederum unter i600 zum Doppelpfeil 9. Das Pleuel hat neben dem geschlossenen Lagerauge 1 ein geteiltes Lager mit zwei Lagerschalen 17 und 18. Das geschlossene Lagerauge 1 ist wiederum für den Kolbenbolzen bestimmt, und die beiden Lagerschalen 17 und 18 dienen zum Lagern auf einem Kurbelzapfen. Die Lagerschalen 17 und 18 können aus einem Metall, Kunststoff oder Graphit (Sintermaterial) bestehen.
Je nach dem Material können sie auf einem Kurbelzapfen sitzen oder noch mit einem weiteren Lagerschalenfutter versehen werden.
Im folgenden wird nunmehr das Verfahren zur Herstellung des Pleuels nach den Fig. 1 und 2 erläutert. Die Lageraugen 1 und 2 werden auf gleiche Weise hergestellt, wobei sie natürlich im Durchmesser und in der Wanddicke unterschiedlich sein können. Das Lagerauge list ein Abschnitt eines Rohres, das auf einem Dorn durch Wickeln von Kohlenfaserbahnen und Bor-Faserbahnen 6 gebildet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel wurden nach jeweils drei Kohlenfaser-Bahnwickeln eine Bor-Faserbahn aufgewickelt. Die Wickelwinkel waren verschieden. Die Bor-Faserbahnen wurden rechtsgängig und linksgängig sowie im rechten Winkel bezüglich der Rohrachse aufgewickelt. Die Bor Faserbahn wurde mit nur einem Wickelwinkel aufgebracht.
Bei einem Beispiel betrugen die Wickelwinkel der Kohlenfaserbahnen +30 , -30 sowie 900 bezüglich der Rohrachse.
Der Wickelwinkel für die Bor-Faserbahn betrug 300. Der zum Herstellen des gewickelten Rohres dienende Metalldorn wird beheizt, damit das Phenolharz aushärtet. Das z.B. 1 m lange Rohr verbleibt auf dem Dorn, bis das Harz ganz ausgehärtet ist. Anschliessend wird das gebildete Rohr auf seiner Mantelfläche geschliffen, um eine genaue zentrische Lage der Augenlager-Bohrung zu erhalten. Durch dieses Schleifen wird gleichzeitig die zum Kleben notwendige Oberflächenbehandlung vorgenommen, d.h. es werden Lösungsmittel Rückstände abgeschliffen, damit später dann ein einwandfreies Binden des Klebstoffes ermöglicht wird. Dann erfolgt ein Abstechen der einzelnen Lageraugen vom Rohr. Auf die gleiche Weise wird das Lagerauge 2 hergestellt, wobei natürlich das Verhältnis Kohlenstoffaserbahnen zu den Borfaserbahnen 7 sowie die Wickelwinkel geändert werden können.
Der Mantel 4 kann auf ähnliche Weise hergestellt werden. Es wird ein Dorn mit der Innen-Kontur des Mantels 4 verwendet. Es können ebenfalls wieder drei Kohlenstoff Faserbahnen mit einer Bor-Faserbahn abwechselnd aufgetragen werden. Die Kohlenstoff-Faserbahnen können ebenfalls rechtsgängig und linksgängig sowie rechtwinklig zur Dornlängsachse aufgetragen werden. Die Bor-Faserbahnen werden aber rechtwinklig zur Dornlängsachse gelegt, so dass sich einzelne Bor-Faser-Bahnabschnitte ergeben, die einmal um den Dorn reichen und sich etwas überlappen. Die dann vorliegenden Bor-Faser-Bahnringe liegen entlang des Wikkeldornes parallel nebeneinander. Das Härten des Harzes erfolgt ebenfalls auf dem Wickeldorn. Dann wird das gebildete Rohr in der Breite eines Mantels 4 abgelängt, so dass die im Mantel 4 liegenden Bor-Faser-Bahnringe nicht durchschnitten werden mussten.
Der Schaft 3 wird als Gelege aus Kohlenstoff-Faserbahnen und Bor-Faser-Bahnen 8 gebildet. Es wird hierzu eine Platte mit der Dicke des Schaftes 3 hergestellt, wobei dann aus dieser Platte eine Vielzahl von Schäften 3 durch einen Fingerfräser herausgearbeitet werden. Wie schon erwähnt, liegen die Kett-Fäden der Bor-Faser-Bahnen sowie die Kohlenstoff Fasern in Richtung des Doppelpfeiles 12. Die Breite der ab Rolle angelieferten Prepreg-Bahn (Kohlenstoffasern mit Phenolharz imprägniert) bestimmt die maximale Breite der erwähnten Platte. Die jeweilige Länge der Bahnabschnitte bestimmt die Länge der Platte. Bei einem Beispiel wurden acht Lagen von Prepreg-Bahnabschnitten aufeinandergelegt, und dann kam eine Lage aus mehreren parallel nebeneinander liegenden Bor-Faser-Bahnen.
Die Bor-Faser-Bahn hat zweckmässigerweise eine solche Breite, dass dann beim Herausfräsen der einzelnen Schäfte 3 aus der Platte diese Bor Faser-Bahnen nicht durchtrennt werden. Das korrekte Aufeinanderlegen der Kohlenstoff-Faser-Bahnabschnitte sowie das korrekte Legen der Bor-Faser-Bahnabschnitte sowie das Aushärten erfolgt innerhalb eines zweckmässigerweise zweiteiligen Rahmens, unter anderem, damit beim Erwärmen kein Wegfliessen des Phenolharzes mit den Kohlenstoff Fasern erfolgt. Dann erfolgt das Herausfräsen der einzelnen Schäfte 3. In Fig. list schematisch dargestellt, dass der Schaft 3 vier übereinanderliegende Bor-Faser-Bahnabschnitte 8 aufweist.
Zur erläuterten Herstellung kann man also sagen, dass die Lageraugen 1 und 2 als Rohrabschnitte entstehen, wobei die Rohre durch Wickeln von mit Bindemittel imprägnierten Chemie-Faser-Bahnen unter verschiedenen Wickelwinkeln bezüglich der Rohrachse gebildet werden, dass der Schaft 3 als Plattenausschnitt entsteht, wobei die Platte durch Legen einer Vielzahl von mit Bindemittel imprägnierten Chemiefaser-Bahnschichten gebildet wird, dass der Mantel 4 gleichartig wie die Lageraugen 1 und 2 gebildet wird, und dass dann die Lageraugen 1 und 2, der Schaft 3 und der Mantel 4 miteinander verklebt werden, so dass das Pleuel nach Fig. 2 vorliegt.
Zur Herstellung des Pleuels nach den Fig. 1 und 2 kann weiterhin gesagt werden, dass zum Bilden der Lageraugen 1 und 2 und des Mantels 4 die Chemiefaser-Bahnen mit zumindest drei verschiedenen Wickelwinkeln auf einem zugeordneten Dorn zu Rollen aufgewickelt werden, worauf dann die Rolle mit Kreis-Querschnitt und die Rolle mit länglichem Querschnitt in Abschnitte getrennt werden, die die Lageraugen-Breite bzw. die Mantelbreite bestimmen.
In die Lageraugen 1 und 2 können dann noch nicht dargestellte Lagerbüchsen eingeklebt werden.
Im folgenden wird nunmehr die Herstellung des Pleuels nach den Fig. 3-5 erläutert. Das Lagerauge 1 und der Schaft 3 werden auf die gleiche Weise wie beim ersten Beispiel hergestellt. Der Mantel 13 wird als Gelege wie die erwähnte Platte hergestellt, aus der dann die einzelnen Schäfte 3 gefräst werden, wobei lediglich die Dicke des Geleges für den Mantel 13 dünner ist als die Platte, aus der die Schäfte 3 gebildet werden. Eine solche als Gelege gebildete Platte wird dann zu der aus der Fig. 3 ersichtlichen Schlaufe gebogen, wobei zwei Schlaufenenden 14 und 15 vorhanden sind. Wie bereits erwähnt, können die Lagerschalen 17 und 18 aus verschiedenen Materialien bestehen. Die Lagerschale 18 wird in den als Schlaufe vorliegenden Mantel 13 nach Fig. 4 eingeklebt, und die Lagerschale 17 wird wie das Lagerauge 1 an den Schaft 3 angeklebt.
Es entsteht hierdurch das aus Fig. 4 ersichtliche zweigeteilte Pleuel. Diese aus Fig. 4 ersichtlichen zwei Teile können dann zum Pleuel nach Fig. 5 durch Verkleben vereinigt werden.
Da die Bor-Fasern eine sehr hohe Biegefestigkeit haben, können die Abkröpfungen der Bor-Faser-Bahnen an den Schlaufenenden 14 und 15 nur in einer nicht dargestellten Pressform während des Aushärtens des Phenolharzes hergestellt werden. Beim Pleuel nach Fig. 5 können die beim Lagerauge 1 liegenden Schlaufenenden 14 und 15 nach dem Verkleben belassen oder auf ein gewünschtes Mass gekürzt werden.
Das mit geschlossenen Lageraugen 1 und 2 ausgebildete Pleuel nach den Fig. 1 und 2 kann zum Beispiel für l-zylindrische Motoren verwendet werden, wobei die das Gegengewicht darstellende eine Kurbelwellenwange abgeschraubt werden kann, um das Lagerauge 2 auf den Kurbelzapfen zu schieben. Dieses Pleuel kann natürlich auch bei Kurbelwellen verwendet werden, bei denen die Kurbelwelle z.B. mittels Hirth-Verzahnungen zusammengefügt ist. Durch den Faser verlauf gemäss den Doppelpfeilen 9-11 kann die Festigkeit des Materials maximal in Anspruch genommen werden, so dass ein solches Pleuel bei gegebenen Beanspruchungen sehr dünn und damit leicht konstruiert werden kann.
Das geteilte Pleuel nach den Fig. 3-5 hat noch weitere Vorteile, da ein solches Pleuel erst auf einer ungeteilten Kurbelwelle nach Fig. 4 montiert werden kann, so dass also ein solches Pleuel für mehr-zylindrische Motoren mit einstükkiger Kurbelwelle sehr geeignet ist, so dass hierdurch ein preisgünstiger Motor mit möglichst geringer bewegter Masse erzielt werden kann.
Eine Alternative zum Beispiel nach den Fig. 3-5 (Mantel als Schlaufe) wäre eine Schäftung einer solchen Schlaufe, wobei die Stelle der Schäftung dann auf die Längsseite der Schlaufe gelegt wird. Das heisst dann, dass die Schlaufenenden 14, 15 nicht mehr vorhanden sind.
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PATENT CLAIMS
1. Elongated power transmission element, which along its length with at least two force application (1,2 or 1, 17, 18), of which at least one in the form of a bearing eye (1), is provided, characterized in that it is in several pieces, one Has shaft (3) and a jacket (4 or 13), the jacket (4 or 13) surrounding the shaft (3) and the at least one bearing eye (1) that pieces of the element contain fiber composite material, and that the pieces are glued together.
2. Element according to claim 1, characterized in that it has two bearing eyes (1, 2), between which the shaft (3) is located, which is glued with its ends to the outer surface of the two bearing eyes (1, 2), and that the jacket (4) is also glued to the two bearing eyes (1, 2) and the shaft (3) (Fig. 1, 2).
3. Element according to claim 1, characterized in that the jacket (4) is designed as an endless elongated shell (Fig. 1, 2).
4. Element according to claim 1, characterized in that the jacket (13) is designed as a loop, the ends (14, 15) of which are connected to one another (FIGS. 3-5).
5. Element according to claim 1, characterized in that fiber composite materials are made of different materials.
6. Element according to claim 1, characterized in that the fibers (10) of a first fiber composite material surround the at least one bearing eye (1) in a ring shape, that the fibers (9) of a second fiber composite material extend along the jacket (4 or 13), and that the fibers (12) of a third fiber composite material extend along the shaft (3) and at right angles to the axis of the at least one bearing eye (1).
7. Element according to claim 1, characterized in that fiber composite material made of different materials is present, namely carbon fiber webs and boron fiber webs (5-8, 16) impregnated with resin matrix.
8. Element according to claim 4, characterized in that it has in addition to the shaft with a bearing eye (1) a split bearing with two bearing shells (17, 18) and the present as a loop jacket (13) (Fig. 3-5).
9. The method for producing the element according to claim 1, characterized in that at least one bearing eye (1) is formed as a tube section, the tube being formed by winding chemical fiber webs impregnated with binder at different winding angles with respect to the tube axis, that the shaft (3 ) arises as a panel cutout, the panel being formed by laying a plurality of synthetic fiber web layers impregnated with binder, that the sheath either, in the case of a design as an endless elongated sheath (4), is similar to the bearing eye (1) or, in the case of a design as a loop (13) how the plate for the shaft (3) is formed, which is then bent into a loop, and that then the at least one bearing eye (1), the shaft (3) and the jacket (4 and 13) together be glued.
10. The method according to claim 9, characterized in that to form the at least one bearing eye (1) and to form a sheath (4) present as an endless elongate sheath, the chemical fiber webs are wound onto a mandrel to form a roll with at least three different winding angles, whereupon then the roller with a circular cross section or with an elongated cross section is separated into sections which determine the width of the bearing eye or the width of the jacket.
11. Use of the element according to claim 1 as a connecting rod in an internal combustion engine.
The invention relates to an elongated force transmission element which is provided along its length with at least two force application points, at least one of which is in the form of a bearing eye. The invention further relates to a method for producing such an elongated power transmission element and to the use of this power transmission element as a connecting rod in an internal combustion engine.
The elongated power transmission element can e.g. a push rod such as a connecting rod, a lever or a torsion bar. Such power transmission elements can be subjected to tension, pressure, bending and torsion. If the force transmission element is in the form of a connecting rod for an internal combustion engine, the connecting rod should be able to be manufactured as easily as possible due to the inertial forces given the loads. In order to achieve this, connecting rods have already been made from fiber composite materials. Carbon fibers with a curable synthetic resin have already been used for this. This fiber composite material was formed into a plate, from which the entire connecting rod was then milled out in one piece.
Such a connecting rod has the disadvantage that the fiber course in the area of the two bearing eyes, namely between the bearing eye and the respective connecting rod end, is very unfavorable, so that for this reason the connecting rod cannot be manufactured in the desirable thin manner and thus in a lightweight construction. Furthermore, such a connecting rod has the disadvantage that it can only be produced with closed bearing eyes if the disadvantageous bearing cap screws are avoided, so that this connecting rod can then only be used for 1-cylinder engines in which the crankshaft cheek forming the counterweight can be unscrewed , or such a connecting rod can only be used for multi-cylindrical engines if the crankshaft is split in the area of the crankshaft journal, eg is provided with a Hirth serration.
The aim is to create an elongate power transmission element in which the aforementioned disadvantages can be avoided.
The power transmission element according to the invention is characterized in that it is in several pieces, has a shaft and a jacket, the jacket surrounding the shaft and the at least one bearing eye, that pieces of the element contain fiber composite material, and that the pieces are glued together.
The method according to the invention for producing the force transmission element is characterized in that at least one bearing eye is created as a tube section, the tube being formed by winding chemical fiber webs impregnated with binder at various winding angles with respect to the tube axis, so that the shaft is formed as a panel cutout, the panel being formed by Laying a variety of binder-impregnated chemical fiber web layers is formed that the sheath either, when designed as an endless, elongated sheath, similar to the bearing eye or, when configured as a loop, as the plate for the shaft, which is then formed into a Loop is bent, and then the at least one bearing eye, the shaft and the jacket are glued together.
The drawing shows two exemplary embodiments of the object of the invention designed as a connecting rod. Show it:
1 shows the individual parts of a connecting rod with closed bearing eyes,
2 shows the individual parts of the connecting rod shown in FIG. 1 in the assembled state,
Fig. 3 shows the parts of a second embodiment of the
Connecting rods with a split bearing eye,
Fig. 4 shows an assembly step of the connecting rod according to Fig. 3, and
5 the connecting rod assembled from the individual parts according to FIG. 3.
The connecting rod shown in FIGS. 1 and 2 has two closed bearing eyes 1 and 2, a shaft 3 and a jacket 4th
This connecting rod is an elongated force transmission element with two force application points, which are located in the two bearing eyes 1 and 2, the bearing eye 1 being intended to be mounted on a piston pin, whereas the bearing sleeve 2 is intended to be mounted on a crank pin. For this purpose, bearing bushes can also be inserted into bearing eyes 1 and 2. Between the two bearing eyes 1 and 2 is the shaft 3, which is glued in FIG. 2 with its ends to the outer surface of the two bearing eyes 1 and 2. The jacket 4 is also glued to the two bearing eyes 1 and 2 and to the shaft 3 in FIG. 2.
In the example according to FIGS. 1 and 2, the jacket 4 is designed as an endless, elongated casing. This connecting rod consists of four pieces that are glued together. The jacket 4 encloses the shaft 3 and the two bearing eyes 1 and 2. The components 1 to 4 consist of fiber composite materials of different materials. For this purpose, chemical fibers are used, which are embedded in a resin matrix. In the present case, carbon fibers and boron fibers embedded in phenolic resin were used as chemical fibers. For the definition of man-made fibers see Römpps Chemie-Lexikon, 7th edition, page 1085. Carbon fibers impregnated with phenolic resin are known as so-called.
Prepreg in stores. Boron fiber webs are also commercially available. In Fig. 1, the boron fiber webs 5, 6, 7 and 8 are shown schematically. If such a boron fiber web is formed as a fabric, the warp threads lie in the direction of the double arrows 9 to 12. The carbon fibers of the prepreg also extend in the direction of the double arrow 12. As will be explained later, they are carbon Fibers are present, which also run in the direction of the double arrows 9 to 11. In addition, carbon fibers are also present, which are inclined at an angle of +60 and -60 with respect to the double arrows 9 to 11. The material from which the bearing eye 1 is made is referred to as the first fiber composite material. The material from which the jacket 4 is made is referred to as the second fiber composite material.
The material from which the shaft 3 is made is referred to as the third fiber composite material. In this way, the material from which the bearing eye 2 is made can be referred to as the fourth fiber composite material. It can therefore be said that power transmission fibers of the first fiber composite material surround the bearing eye 1 in a ring, that fibers of the second fiber composite material extend along the jacket 4, that fibers of the third fiber composite material extend along the shaft 3 and at right angles to the axis of the bearing eye 1, and that fibers of the fourth fiber composite material surround the bearing eye 2 in a ring. The manufacture of the connecting rod according to FIGS. 1 and 2 will be explained later.
The design of the second embodiment of the connecting rod according to FIGS. 3 to 5 is given below.
This connecting rod in turn has the bearing eye 1 and the shaft 3. There is a jacket 13 which is designed as a loop, the ends 14 and 15 of which are connected to one another. There are schematically shown boron fiber layers 16. In this exemplary embodiment, the warp threads of the boron fiber webs 16 run exclusively in the direction of the double arrow 9. The carbon threads run parallel or again under i600 to the double arrow 9. In addition to the closed bearing eye 1, the connecting rod has a split bearing with two bearing shells 17 and 18. The closed bearing eye 1 is again intended for the piston pin, and the two bearing shells 17 and 18 are used for bearing on a crank pin. The bearing shells 17 and 18 can consist of a metal, plastic or graphite (sintered material).
Depending on the material, they can sit on a crank pin or be provided with a further bearing shell lining.
The method for producing the connecting rod according to FIGS. 1 and 2 will now be explained. The bearing eyes 1 and 2 are made in the same way, although they can of course be different in diameter and wall thickness. The bearing eye lists a section of a tube which is formed on a mandrel by winding carbon fiber webs and boron fiber webs 6. In one embodiment, a boron fiber web was wound up after every three carbon fiber web windings. The winding angles were different. The boron fiber webs were wound clockwise and counterclockwise as well as at right angles to the tube axis. The boron fiber web was applied with only one winding angle.
In one example, the winding angles of the carbon fiber sheets were +30, -30 and 900 with respect to the tube axis.
The winding angle for the boron fiber web was 300. The metal mandrel used to manufacture the wound tube is heated so that the phenolic resin hardens. That e.g. 1 m long pipe remains on the mandrel until the resin has hardened completely. The tube formed is then ground on its outer surface in order to obtain an exact central position of the eye-bearing hole. This grinding simultaneously carries out the surface treatment necessary for gluing, i.e. Solvent residues are sanded off so that the adhesive can then be bonded perfectly. Then the individual bearing eyes are pierced from the pipe. The bearing eye 2 is produced in the same way, it being possible, of course, to change the ratio of carbon fiber webs to the boron fiber webs 7 and the winding angle.
The jacket 4 can be made in a similar manner. A mandrel with the inner contour of the jacket 4 is used. Three carbon fiber webs can also be alternately applied with a boron fiber web. The carbon fiber webs can also be applied right-handed and left-handed and at right angles to the longitudinal axis of the mandrel. However, the boron-fiber webs are placed at right angles to the longitudinal axis of the mandrel, so that individual boron-fiber web sections result which once reach around the mandrel and overlap somewhat. The then existing boron-fiber web rings lie parallel next to each other along the wedge mandrel. The resin is also hardened on the mandrel. Then the tube formed is cut to the width of a jacket 4, so that the boron-fiber web rings lying in the jacket 4 did not have to be cut through.
The shaft 3 is formed as a scrim from carbon fiber webs and boron fiber webs 8. For this purpose, a plate with the thickness of the shank 3 is produced, a plurality of shafts 3 then being worked out from this plate by means of a end mill. As already mentioned, the warp threads of the boron fiber webs and the carbon fibers lie in the direction of the double arrow 12. The width of the prepreg web delivered from the roll (carbon fibers impregnated with phenolic resin) determines the maximum width of the plate mentioned. The respective length of the web sections determines the length of the plate. In one example, eight layers of prepreg sheet sections were placed on top of one another, and then a layer of several parallel boron fiber sheets came.
The boron-fiber web expediently has a width such that when the individual shafts 3 are milled out of the plate, these boron-fiber webs are not severed. The correct stacking of the carbon fiber web sections as well as the correct laying of the boron fiber web sections as well as the curing takes place within an expedient two-part frame, among other things, so that when heating the phenolic resin with the carbon fibers does not flow away. The individual shafts 3 are then milled out. FIG. 1 shows schematically that the shaft 3 has four boron fiber web sections 8 lying one above the other.
Regarding the production described, it can therefore be said that the bearing eyes 1 and 2 are formed as tube sections, the tubes being formed by winding chemical fiber webs impregnated with binder at different winding angles with respect to the tube axis, so that the shaft 3 is produced as a plate cutout, whereby the plate is formed by laying a multiplicity of synthetic fiber web layers impregnated with binder, the jacket 4 is formed in the same way as the bearing eyes 1 and 2, and then the bearing eyes 1 and 2, the shaft 3 and the jacket 4 are bonded to one another, so that the connecting rod according to FIG. 2 is present.
For the manufacture of the connecting rod according to FIGS. 1 and 2, it can further be said that to form the bearing eyes 1 and 2 and the jacket 4, the synthetic fiber webs are wound up into rolls with at least three different winding angles on an associated mandrel, whereupon the roll with a circular cross-section and the roll with an elongated cross-section are separated into sections which determine the width of the bearing eyes and the width of the jacket.
Bearing bushes (not yet shown) can then be glued into the bearing eyes 1 and 2.
The manufacture of the connecting rod according to FIGS. 3-5 will now be explained. The bearing eye 1 and the shaft 3 are manufactured in the same way as in the first example. The jacket 13 is produced as a fabric like the plate mentioned, from which the individual shafts 3 are then milled, only the thickness of the fabric for the jacket 13 being thinner than the plate from which the shafts 3 are formed. Such a plate formed as a scrim is then bent into the loop shown in FIG. 3, two loop ends 14 and 15 being present. As already mentioned, the bearing shells 17 and 18 can consist of different materials. The bearing shell 18 is glued into the jacket 13 in the form of a loop according to FIG. 4, and the bearing shell 17 is glued to the shaft 3 like the bearing eye 1.
This results in the two-part connecting rod shown in FIG. 4. These two parts shown in FIG. 4 can then be combined to the connecting rod according to FIG. 5 by gluing.
Since the boron fibers have a very high flexural strength, the bends of the boron fiber webs at the loop ends 14 and 15 can only be produced in a press mold (not shown) during the curing of the phenolic resin. In the connecting rod according to FIG. 5, the loop ends 14 and 15 lying at the bearing eye 1 can be left after gluing or shortened to a desired size.
The connecting rod designed with closed bearing eyes 1 and 2 according to FIGS. 1 and 2 can be used, for example, for 1-cylinder engines, the counterweight representing a crankshaft web being unscrewed in order to push the bearing eye 2 onto the crank pin. This connecting rod can of course also be used on crankshafts in which the crankshaft e.g. is joined by means of Hirth serrations. Due to the fiber course according to the double arrows 9-11, the strength of the material can be used to the maximum, so that such a connecting rod can be constructed very thin and thus easily under given stresses.
3-5 has further advantages, since such a connecting rod can only be mounted on an undivided crankshaft according to FIG. 4, so that such a connecting rod is very suitable for multi-cylindrical engines with one-piece crankshaft, so that an inexpensive motor with the lowest possible moving mass can be achieved.
An alternative to, for example, FIGS. 3-5 (jacket as a loop) would be a shaft of such a loop, the location of the shaft then being placed on the long side of the loop. This then means that the loop ends 14, 15 are no longer present.