DE3225323C2

DE3225323C2 - Pleuelstange aus faserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE3225323C2
Application number: DE3225323A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. 8011 Kirchheim Bongers; Thomas Dipl.-Ing. 8900 Augsburg Fischer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-07-07
Filing date: 1982-07-07
Publication date: 1984-05-24
Also published as: GB2124330B; US4546669A; DE3225323A1; GB2124330A; FR2529971B1; FR2529971A1; GB8315050D0

Description

a) die Gurte (4.1) im Bereich ihrer freien — bei unterschiedlichen Lagerdurchmessern gekröpften — Enden mit einem sich quer zur Stangenlängsrichtung erstreckenden, im wesentlichen halbschalenförmig gekrümmten Lagerbügel (5) aus Fasersträngen in unidirektionaler Orientierung zur Bügelerstreckungsrichtung verbunden sind, daß

b) in dem Raum zwischen dem geschlossenen Lagerzylinder (6) und dem Lagerbügel (5) ein diesen Raum ausfüllender Druckstab (7) zumindest aus Fasersträngen in einer Orientierung parallel zur Stan^anlängsachse eingebettet ist und daß

c) die Schlaufe (4) und der L-?<;erbügel (5) mit dem als entsprechender Lagerbügel geformten Lagerdeckel (3.2) an ihren eirinder entgegengerichteten Enden über eine Zinkung zusammengefügt sind.

2. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungssicherheit der Zinkung durch einen Klebstoff hergestellt ist.

3. Pleuelstange nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in zur Lagerlängsrichtung senkrechten Ebenen angeordnete Decklagen (8) und hierzu parallele, die Schlaufe (4) mit dem Lagerbügel (5) und Druckstab (7) sowie den Lagerdeckel (3.2) in Lagerlängsrichtung unterteilende Zwischenlagen (9) aus Fasersträngen in kreuzweiser Orientierung.

4. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Zinkung, bei der die zwischen den Deck- und Zwischenlagen (8,9) eingebetteten Unidirektionalfaserlagen (10 bzw. 11) des offenen Stangenkopfteiis (3.1) einerseits und des Lagerdeckels (3.2) andererseits derart geschäftet sind, daß deren überlappende Zusammenfügung einen Stumpfstoß jeweils zwischen einer Unidirektionalfaserlage und einer gegenüberliegenden Deck- oder Zwischenlage (8,9) ergibt.

5. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Lagerzylinder (6) aus Fasersträngen in kreuzweiser Orientierung aufgebaut ist, insbesondere 0°/90°-Orientierung zur Lagerlängsachse.

6. Pleuelstange nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Stangenkopfteil (3.1) und der Lagerdeckel (3.2) mit einer Lagerschale (12) in Form einer geteilten Bundbuchse versehen sind, die mit der Buchsentrennfuge (12.1) verdreht gegenüber der Trennfuge zwischen dem offenen Stangen

kopfteil (3.1) und Lagerdeckel (3.2) angeordnet ist

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Pleuelstange, deren Kurbelzapfenlager aus Montagegründen geteilt ist, hat in der duich die

ίο DE-OS 30 04 575 bekannten Ausführungsform mit einem Metallmantel um einen Kunststoffkern im Vergleich zu einem entsprechenden ganzmetallenen Aufbau eine wesentlich geringere Masse und führt damit insbesondere im Falle der Verwendung bei hochtourigen Hubkolbenmaschinen zu höherer Laufruhe und verbessertem Wirkungsgrad. Unter solchen Kriterien besteht natürlich das Bestreben nach einem Verzicht auf jegliche Metallteile. Bei entsprechender bloßer Einsparung des Metallmantels der bekannten Pleuelstange wä-

re allerdings u. a. die nötige Festigkeit gegen Druck- und Zugkräfte nicht mehr gewährleistet: Die verbleibende, für sich nur zugbelastbare Faserschlaufe würde unter Druckbelastung ausknicken. Im übrigen hat ein derartiger — einen Metallmantel u. a. als stützende Außenform der Faserschlaufe nutzender — Verbund zweier Werkstoffe unterschiedlicher Elastizitätsmodule unter Belastung der Pleuelstange zur Folge, daß der steifere Faserstoff dann überwiegend trägt, d. h. der stützende Metallmantel nicht voll ausgelastet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Pleuelstange der eingangs genannten Art im wesentlichen einen Verzicht auf Metallteile ohne Festigkeitsminderung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe ist gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst. Demnach erschöpft sich die Erfindung nicht in einer Vereinigung einer Faserschlaufe mit einem - durch die DE-OS 29 51 112 für Pleusl an sich bekannten — Stab, welcher bei gleichartigem Faseraufbau aufgrund seiner Einfügung '/wischen den beiden Lagern der Pleuelstange deren Druckaufnahmefähigkeit sicherstellt. Vielmehr wird tür diesen Verbund »Faserschlaufe/Druckstab« ausreichende Festigkeit gegen unter Massenbeschleunigung wirkende Querkräfte erst durch die Einführung des Lagerbügels erzielt. Hierbei ermöglicht der die Gurtenden der Faserschlaufe kraftschlüssig koppelnde Lagerbügel deren Teilung (bzw. den Verzicht auf eine am offenen Stangenkopfteil sonst Mehrfachkrümmungen der Faserschlaufe bedingende Endlosausbildung) ohne Beschränkung der Gurtenden in der Ausrichtung für die schließlich gewählte — durch die DE-PS 8 64 172 an sich bekannte — Form der Fügestellen zwischen dem offenen Stangenkopfteil und dem Lagerdeckel mit dem Vorteil, daß Stoffschluß als Verbindungssicherheit bei der Montage der Pleuelstange in einfacher Weise mittels eines Zulegestoffes erreichbar ist. Diesbezüglich wird, im Falle der im Unteranspruch 3 gekennzeichneten Schichtbauweise, im Bestreben nach einer dynamisch hochbelastbaren Klebverbindung zwischen dem offenen Stangenkopfteil und dem Lagerdeckel bevorzugt von der im Unteranspruch 4 gekennzeichneten Zinkung Gebrauch gemacht mit dem Vorteil größtmöglicher Bruchsicherheit. Diese und die in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert. Dazu zeigt die Zeichnung in

F i g. 1 in Slirnansicht eine an einem der beiden Stangenköpfe geteilte Pleuelstange aus Faserverbundwerk-

stoff,

F i g. 2 diese Pleuelstange von der Seite betrachtet,
Fig.3 bloß den geteilten Stangenkopf der Pleuelstange.

Beispielsweise als Verbindungsglied zwischen dem Iinearbewegten Teil eines Kurbeitriebwerkes und einer Kurbelwelle besteht die dargestellte Pleuelstange im wesentlichen aus einem Stangenschaft 1 mit als zylindrische Lager ausgebildeten Stangenköpfen 2 und 3 einerseits für einer nicht dargestellten Kolbenbolzen bzw. andererseits für einen ebenfalls nicht dargestellten Kurbelzapfen. Zur Montage am Kurbelzapfen ist zunächst der zugeordnete Stangenkopf in einen offenen, halbschalenförmigen Stangenkopfteil 3.1 und einen entsprechenden halbschalenförniigen Lagerdeckel 3.2 geteilt. Um für diese geteilte Konfiguration der Pleuelstange einen Aufbau aus Faserverbundwerkstoff, wie Kohlenstoffaser in einer Kunstharzmatrix, unter Verzicht auf Metall auch für die Verbindung des offenen Stangenkopfteils 3.1 mit dem Lagerdeckel 3.2, ohne Festigkeitsminderung zu erreichen, ist der Haupt- bzw. Schaftteil mit einer offenen Schlaufe 4 aus Fasersträngen unidirektionaler Faserorientierung längs der Schlr-nfengurte 4.1 versehen, bei deren Teilung am offenen Stangenkopfteil 3.1 für den Deckelanschluß die freien Gurtenden zum Stangenschaft 1 parallel ausgerichtet sind. Kraftschluß im offenen Stangenkopfteil 3.1 zwischen den freien Gurtenden der Schlaufe 4 ist durch einen von Gurtende zu Gurtende sich erstreckenden Lagerbügel 5 aus Fasersträngen unidirektionaler Orientierung in Bügelerstreckungsrichtung erreicht Hierbei ist in den Raum zwischen einem von der Schlaufe umschlungenen Lagerzylinder 6 und den Lagerbügel 5 ein Druckstab 7 eingebettet, der, zumindest aus zur Stangenlängsachse parallelen Unidirektionalfasersträngen aufgebaut, die nötige Druckaufnahmefähigkeit der Pleuelstange sicherstellt. Der Lagerzylinder 6 besteht, z. B. als ein Wikkelkörper, aus Fasermaterial mit kreuzweiser Orientierung der Fasern, vorzugsweise mit einer Faserorientierung O¹VfJO⁰ zur Lagerlängsachse; erforderlichenfalls ist noch eine metallene Lagerschale 6.1 vorgesehen. Schließlich besteht der dem offenen Stangenkopfteil 3.1 entsprechend in Form eines Lagerbügels ausgebildete Lagerdeckel 3.2 aus Fasersträngen in unidirektionaler Orientierung zur Deckelerstreckungsrichtung.

Zur Erhöhung der Schubfestigkeit und -steifigkeit des gesamten Taseraufoaus dieser Pleuelstange sind gemäß F i g. 2 außer stirnseitigen Decklagen 8 hierzu parallele, die Schlaufe 4 mit dem Lagerbügel 5 und Druckstab 7 sowie den Lagerdeckel 3.2 in Lagerlängsrichtung unterteilende Zwischenlagen ■? jeweils aus Fasermaterial insbesondere mit ±45^C-Faserorientierung vorgesehen. Es versteht sich im übrigen, daß für sämtliches kreuzweise orientiertes Fasermaterial entsprechendes Gewebe oder Gelege verwendbar ist.

Eine hochbelastbare Verbindung zwischen dem offenen Stangenkopfteil 3.1 und dem Lagerdeckel 3.2 durch bloßes Verkleben bei der Montage der Pleuelstange wird durch eine Zinkung der einander entgegengerichteten Kopfteil- und Deckelenden erreicht. Hierzu werden gemäß Fig.2 die zwischen den Deck- und Zwischenlagen 8 bzw. 9 eingebetteten Unidirektionalfaserlagen 10 bzw. 11 des offenen Stangenkopfteils 3.1 einerseits und des Lagerdeckels 3.2 andererseits derart geschähet, daß deren überlappende Zusammenfügung, wie dargestellt, einen Stumpfstoß jeweils zwischen einer Unidirektionalfaserlage 10, 11 und einer gegenüberliegenden Deck- oder Zwijrhenlage 8 bzw. 9 ergibt. Hierdurch wird die größtmögliche Verbindung^- bzw. Klebefläche zwischen den Unidirektionalfaserlagen 10 der Schlaufe 4 bzw. des Lagerbügels 5 und den Unidirektionalfaserlagen 11 des Lagerdeckels 3.2 erreicht. Bei minder hohen Anforderungen an die Belastbarkeit der Klebverbindung können auch die Deck- und Zwischenlagen sowie die dazwischen eingebetteten Unidirektionalfaserlagen von Schlaufe und Lagerbügei einerseits und des Lagerdeckels andererseits derart stumpf gegeneinanderstoßen, daß Unidirektionalfaserlagen und Deck- oder Zwischenlagen einander überlappen.

Schließlich ist angesichts der beschriebenen Klebverbindung zwischen dem offenen Stangenkopfteil 3.1 und dem Lagerdeckel 3.2 noch hervorzuheben, daß gemäß F i g. 3 die (erforderlichenfalls) hierfür vorgesehene u. U. metallene Lagerschale 12 bloß als geteilte Bundbuchse mit ihrer Trennfuge 12.1 verdreht gegenüber der Trennfuge zwischen dem offenen Stangenkopfteil 3.1 und dem Lagerdeckel 3.1 angeordnet zu werden braucht, um bei der Montage ein Vordringen von Klebstoff bis zu den Lagerflächen auszuschließen. Hierbei ist selbstverständlich eine Verdrehsicherung der Lagerschale 12 mittels Stiften 13 oder dergleichen deren Bund sperrender Mittel üblicher Bauart ohne weiteres möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Pleuelstange aus faserverstärktem Kunststoff, deren einer Stangenkopf, z. B. für einen Kolbenbolzen, als ein geschlossenes, zylindrisches Lager und deren anderer Stangenkopf, z. B. für einen Kurbelzapfen, als ein geteiltes, zylindrisches Lager ausgebildet ist, mit einem offenen, halbschalenförmigen Stangenkopfteil und mit einem entsprechenden halbschalenförmigen Lagerdeckel, wobei unidirektionale Faserstränge zu einer den geschlossenen Lagerzylinder umfassenden, in Stangenlängsrichtung sich erstreckenden Schlaufe zusammengefaßt sind, en deren beiden parallel zum Stangenschaft ausgerichteten Gurtenden der Lagerdeckel angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß