DE3225324C1 - Connecting rod made of fiber reinforced plastic - Google Patents

Description

a) die Gurte (7.1) im Bereich ihrer nach außen gebogenen — durch eine Teilung der Schlaufea) the belts (7.1) in the area of their outwardly bent - by dividing the loop

(7) freien — Enden mit einem sich quer zur Stangenlängsachse erstreckenden Lagerbügel(7) free ends with a bearing bracket extending transversely to the longitudinal axis of the rod

(8) aus Fasersträngen in zur Bügelerstreckungsrichtung paralleler und/oder kreuzweiser Orientierung verbunden sind und daß(8) of fiber strands in parallel and / or crosswise to the direction of extension of the stirrup Orientation are connected and that

b) in dem Raum zwischen dem geschlossenen Lagerzylinder (9) und dem Lagerbügel (8) ein diesen Raum ausfüllender Druckstab (10) zumindest aus Fasersträngen in einer Orientierung parallel zur Stangenlängsachse eingebettetist. b) in the space between the closed bearing cylinder (9) and the bearing bracket (8) this space filling pressure rod (10) at least made of fiber strands in one orientation is embedded parallel to the longitudinal axis of the rod.

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2. Pleuelstange nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in zur Lagerlängsrichtung senkrechten Ebenen angeordnete Decklagen (15) und hierzu parallele, die Schlaufe (7), den Lagerbügel (8) und den Druckstab (10) in Lagerlängsrichtung unterteilende Zwischenlagen (16), jeweils aus Fasersträngen in kreuzweiser Orientierung.2. Connecting rod according to claim 1, characterized by in planes perpendicular to the longitudinal direction of the bearing arranged cover layers (15) and parallel thereto, the loop (7), the bearing bracket (8) and the compression rod (10) in the longitudinal direction of the bearing dividing intermediate layers (16), each made of fiber strands in a crosswise orientation.

3. Pleuelstange nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus in Bügellängsrichtung sich erstreckenden Fasersträngen unidirektionaler Orientierung aufgebaute Lagerbügel (8) über eine Zwischenlage (11) aus Fasersträngen in demgegenüber kreuzweiser Orientierung mit den Gurtenden der Schlaufe (7) und dem Druckstab (10) verbunden ist.3. Connecting rod according to claim 1 or 2, characterized in that the from in the longitudinal direction of the bracket extending fiber strands of unidirectional orientation built-up bearing bracket (8) via a Intermediate layer (11) made of fiber strands in a crosswise orientation with the belt ends the loop (7) and the pressure rod (10) is connected.

4. Pleuelstange nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Lagerbügel (8) auf der dem Lagerdeckel (3.2) zugewandten Seite im Bereich der Flanschbohrungen (5) je ein Füllstück (13) aus Fasersträngen in kreuzweiser Orientierung angesetzt ist.4. Connecting rod according to claim 1 or 3, characterized in that the bearing bracket (8) on the The side facing the bearing cover (3.2) in the area of the flange bores (5) each has a filler piece (13) Fiber strands is attached in a crosswise orientation.

5. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Lagerzylinder (9) im Verbund mit der Schlaufe (7) und dem Druckstab (10) aus Fasersträngen in kreuzweiser Orientierung aufgebaut ist, insbesondere 0°/90°-Orientierung zur Lagerlängsachse.5. Connecting rod according to claim 1, characterized in that the closed bearing cylinder (9) in the Composite with the loop (7) and the compression rod (10) made of fiber strands in a crosswise orientation is constructed, in particular 0 ° / 90 ° orientation to the longitudinal axis of the bearing.

6. Pleuelstange nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerdeckel (3.2) einen Faseraufbau entsprechend demjenigen des offenen Stangenkopfteiles (3.1) aufweist, wobei die der Schlaufe (7) der Pleuelstange entsprechende Deckellage (Lagerbügel6. Connecting rod according to one or more of the preceding claims, characterized in that that the bearing cover (3.2) has a fiber structure corresponding to that of the open rod head part (3.1), the cover position corresponding to the loop (7) of the connecting rod (bearing bracket

20) die Form des Deckel-Lagerbügels (17) aufweist.20) has the shape of the cover bearing bracket (17).

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a connecting rod according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Pleuelstange, deren Kurbelzapfenlager aus Montagegründen geteilt ist, hat in der durch die 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 Einsparung des Metallmantels der bekannten Pleuelstange wäre allerdings unter anderem 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 unter anderem 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.Such a connecting rod, the crank pin bearing is divided for assembly reasons, has in the by DE-OS 30 04 575 known embodiment with a metal jacket around a plastic core in the Compared to a corresponding all-metal structure, it has a significantly lower mass and leads thus, especially in the case of use in high-speed reciprocating piston engines, to smoother running and improved efficiency. Of course, among such criteria there is an endeavor to find one No metal parts. With a corresponding saving of the metal jacket of the known connecting rod would, however, no longer have the necessary strength against compressive and tensile forces guaranteed: The remaining fiber loop, which can only be subjected to tensile loads, would buckle under pressure. In addition, such a metal jacket has, among other things, a supporting outer shape using the fiber loop - composite of two materials with different modulus of elasticity underneath Loading of the connecting rod means that the stiffer fiber material then predominantly carries, d. H. the supporting one Metal jacket is not being used to full capacity.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Pleuelstange der eingangs genannten Art im wesentlichen einen Verzicht auf Metallteile ohne Festigkeitsminderung zu ermöglichen. The object of the invention is essentially to provide a connecting rod of the type mentioned at the beginning to make it possible to dispense with metal parts without reducing strength.

Diese Aufgabe ist gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach erschöpft sich die Erfindung nicht in einer Vereinigung einer Faserschlaufe mit einem — durch die DE-OS 29 51 112 für Pleuel an sich bekannten — Stab, welcher bei gleichartigem Faseraufbau aufgrund seiner Einfügung zwischen den beiden Lagern der Pleuelstange deren Druckaufnahmefähigkeit sicherstellt. Vielmehr wird für 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 nicht nur deren Teilung bzw. den Verzicht auf eine am offenen Stangenkopfteil sonst Mehrfachkrümmungen der Faserschlaufe bedingende Endlosausbildung (für die gemäß der vorgenannten DE-OS 30 04 575 unter der Forderung nach planen Flanschflächen des offenen Stangenkopfes eine Ummantelung entsprechender Außenkontur unerläßlich ist), sondern auch eine raumsparende und dennoch wirkungsvolle Verstärkung des offenen Stangenkopfteiles gegen den Lochleibungsdruck der Flanschbohrungen, vorzugsweise in der im Unteranspruch 3 gekennzeichneten Weise.This object is achieved according to the characterizing part of claim 1. Accordingly, the exhausted Invention not in a union of a fiber loop with one - by DE-OS 29 51 112 for connecting rods known - rod, which with the same fiber structure due to its insertion between the both bearings of the connecting rod ensures their pressure absorption capacity. Rather, for this network "Fiber loop / compression rod" sufficient strength against lateral forces acting under mass acceleration only achieved through the introduction of the bearing bracket. This enables the strap ends of the fiber loop frictionally coupling bearing bracket not only their division or the waiver of one on the open Rod head part otherwise endless formation causing multiple curvatures of the fiber loop (for the according to the aforementioned DE-OS 30 04 575 with the requirement for flat flange surfaces of the open Rod head a sheathing with a corresponding outer contour is indispensable), but also a Space-saving yet effective reinforcement of the open rod head part against the embedment pressure the flange bores, preferably in the manner characterized in dependent claim 3.

Schließlich läßt sich in der im Unteranspruch 2 gekennzeichneten Schichtbauweise, entsprechend derjenigen der durch die DE-OS 29 51112 bekannten Pleuelstange mit einer Endlosschlaufe um zwei geschlossene Lager, die Querzug-Aufnahmefähigkeit der Schlaufengurte durch schubübertragende Lagen beträchtlich erhöhen. Diese und die in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles der Erfindung näher erläutert. Dazu zeigt die Zeichnung inFinally, in the layered construction characterized in dependent claim 2, corresponding to that the connecting rod known from DE-OS 29 51112 with an endless loop around two closed Bearing, the transverse tension absorption capacity of the loop belts due to shear-transmitting layers is considerable raise. These and the further developments characterized in the other subclaims are explained in more detail below using an exemplary embodiment of the invention. This shows the Drawing in

F i g. 1 in Stirnansicht eine an einem der beiden Stangenköpfe geteilte Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoff, F i g. 1 in an end view of a connecting rod made of fiber composite material divided at one of the two rod ends,

F i g. 2 perspektivisch diese Pleuelstange in teilweiser Explosionsdarstellung.F i g. 2 is a perspective view of this connecting rod in a partially exploded view.

Beispielsweise als Verbindungsglied zwischen dem linearbewegten Teil eines Kurbeltriebwerkes und einer Kurbelwelle besteht die dargestellte Pleuelstange im wesentlichen aus einem Stangenschaft 1 mit als zylindrische Lager ausgebildeten Stangenköpfen 2 und 3 einerseits für einen nicht dargestellten Kolbenbolzen bzw. andererseits für einen ebenfalls nicht dargestellten Kurbelzapfen. Zur Montage am Kurbelzapfen ist der zugeordnete Stangenkopf 3 an einer zur Stangenlängsachse senkrechten Trennfuge 4 teilbar, wobei die Verbindung des offenen, halbschalenförmigen Stangenkopf teils 3.1 mit einem entsprechenden halbschalenförmigen Lagerdeckel 3.2 über in Bohrungen 5 (F i g. 2) ihrer Flansche 3.3 bzw. 3.4 eingepaßte (Dehn-)Schrauben 6 hergestellt ist.For example, as a connecting link between the linearly moving part of a crank mechanism and a Crankshaft, the connecting rod shown consists essentially of a rod shaft 1 with as cylindrical bearings formed rod ends 2 and 3 on the one hand for a piston pin, not shown or on the other hand for a crank pin, also not shown. For mounting on the crank pin, the associated rod head 3 can be divided at a parting line 4 perpendicular to the longitudinal axis of the rod, the Connection of the open, half-shell-shaped rod head part 3.1 with a corresponding half-shell-shaped Bearing cover 3.2 via (expansion) screws fitted into bores 5 (Fig. 2) of their flanges 3.3 and 3.4 6 is made.

Um bei solcher herkömmlichen Konfiguration der Pleuelstange einen Aufbau aus Faserverbundwerkstoff, wie Kohlenstoffaser in einer Kunstharzmatrix, unter Verzicht auf Metall ohne Festigkeitsminderung zu erreichen, ist der Haupt- bzw. Schaftteil mit einer offenen Schlaufe 7 aus Fasersträngen unidirektionaler Orientierung längs der Schlaufengurte 7.1 versehen, bei deren Teilung am offenen Stangenkopfteil 3.1 für die Flanschbildung die freien Gurtenden gegenüber dem Stangenschaft 1 radial auswärts gerichtet sind. Kraftschluß im offenen Stangenkopfteil 3.1 zwischen den freien Gurtenden der Schlaufe 7 ist durch einen von Gurtende zu Gurtende sich erstreckenden Lagerbügel 8 erreicht, ebenfalls aus Fasersträngen unidirektionaler Orientierung in Bügelerstreckungsrichtung. Hierbei ist in dem Raum zwischen einem von der Schlaufe umschlungenen Lagerzylinder 9 und dem Lagerbügel 8 ein Druckstab 10 eingebettet, der, zumindest aus zur Stangenlängsachse parallelen Unidirektionalfasersträngen aufgebaut, die nötige Druckaufnahmefähigkeit der Pleuelstange sicherstellt. Durch eine schubübertragende Zwischenlage 11 aus Fasersträngen mit gegenüber dem Lagerbügel 8 kreuzweiser Faserorientierung (Fasergewebe oder -gelege) ist zudem für ausreichende Festigkeit hinsichtlich der Lochleibungsbeanspruchung der Flanschbohrungen 5 (Fig.2) gesorgt. Zu diesem Zweck können ebensogut in dem Unidirektionalfaseraufbau des Lagerbügels 8 Zwischenschichten aus Fasergewebe oder -gelege mit kreuzweiser Faserorientierung eingebettet sein, wie auch die Zwischenlage 11 zusätzlich Zwischenschichten aus Fasermaterial in unidirektionaler Orientierung von Gurtende zu Gurtende aufweisen kann. Die kreuzweise Faserorientierung ist insbesondere abwechselnd ±45° und 0°/90° zur Bügellängsachse. Zur bündigen Einbettung einer erforderlichenfalls metallenen Lagerschalenhälfte 12.1 sitzen an dem Lagerbügel 8 im Bereich der Schrauben 6 noch Füllstücke 13 aus Fasergewebe oder -gelege, insbesondere in hinsichtlich der Faserorientierung abwechselndenden Schichten von ±45° und 0°/90°In order to create a structure made of fiber composite material in such a conventional configuration of the connecting rod, like carbon fiber in a synthetic resin matrix, dispensing with metal without reducing strength reach, the main or shaft part with an open loop 7 made of fiber strands is more unidirectional Orientation along the loop belts 7.1 provided, when they are divided on the open rod head part 3.1 for the Flange formation, the free belt ends are directed radially outward with respect to the rod shaft 1. Frictional connection in the open rod head part 3.1 between the free strap ends of the loop 7 is through one of End of belt to end of belt extending bearing bracket 8 achieved, also from fiber strands of unidirectional orientation in the direction of extension of the stirrup. Here is in the space between a bearing cylinder 9 around which the loop is wrapped and the bearing bracket 8 a compression rod 10 is embedded which, at least from the unidirectional fiber strands parallel to the longitudinal axis of the rod built up, ensures the necessary pressure absorption capacity of the connecting rod. Through a thrust-transmitting Intermediate layer 11 made of fiber strands with crosswise fiber orientation (fiber fabric or scrim) compared to the bearing bracket 8 is also sufficient Strength with regard to the bearing stress on the flange bores 5 (Fig. 2) is ensured. To this Purpose can just as well in the unidirectional fiber structure of the bearing bracket 8 intermediate layers Fiber fabric or scrim can be embedded with crosswise fiber orientation, as well as the intermediate layer 11 additional intermediate layers of fiber material in a unidirectional orientation from belt end to belt end may have. The crosswise fiber orientation is in particular alternating between ± 45 ° and 0 ° / 90 ° to the Longitudinal axis of the temple. For flush embedding of a metal bearing shell half 12.1, if necessary sit on the bearing bracket 8 in the area of the screws 6 filler pieces 13 made of fiber fabric or scrim, especially in layers of ± 45 ° and 0 ° / 90 ° which alternate with regard to the fiber orientation

ίο bezogen auf die Lagerlängsachse. Am geschlossenen Stangenende ist demgegenüber eine Lagerschale 14 in dem (vorgenannten) mit der Schlaufe 7 und dem Druckstab 10 vereinigten Lagerzylinder 9 gebettet, der aus Fasermaterial insbesondere in einer Orientierung 0°/90° zur Lagerlängsachse besteht.ίο based on the longitudinal axis of the bearing. On the closed In contrast, the end of the rod is a bearing shell 14 in the (aforementioned) with the loop 7 and the Pressure rod 10 united bearing cylinder 9 embedded, which is made of fiber material in particular in one orientation 0 ° / 90 ° to the longitudinal axis of the bearing.

Zur Erhöhung der Schubsteifigkeit dieses Faseraufbaus sind schließlich an den beiden Stangerjstirnseiten Decklagen 15 sowie hierzu parallele, die Schlaufe 7 mit dem Lagerbügel 8, dem Druckstab 10, der Zwischenlage Il und den Füllstücken 13 in Lagerlängsrichtung unterteilende Zwischenlagen 16 jeweils aus Fasermaterial insbesondere mit ±45° Orientierung zur Stangenlängsachse vorgesehen. Es versteht sich im übrigen, daß für sämtliches kreuzweise orientiertes Fasermaterial entsprechendes Gewebe oder Gelege verwendbar ist.Finally, to increase the shear stiffness of this fiber structure, there are two ends of the rod Cover layers 15 and parallel thereto, the loop 7 with the bearing bracket 8, the compression rod 10, the intermediate layer Il and the filler pieces 13 in the longitudinal direction of the bearing dividing intermediate layers 16 each made of fiber material in particular provided with an orientation of ± 45 ° to the longitudinal axis of the rod. It goes without saying, moreover, that appropriate fabric or scrim can be used for all cross-oriented fiber material.

Was den Lagerdeckel 3.2 betrifft, so entspricht dessen Faseraufbau demjenigen des offenen Stangenkopfteiles 3.1 der Pleuelstange, d. h. hier ist ein. gleicher Lagerbügel 17 mit im Bereich der Schrauben 6 angesetzten Füllstücken 18 (für die Bettung einer zweiten Lagerschalenhälfte 12.2) über eine Zwischenlage 19 der vorbeschriebenen Art (11) mit einem weiteren gleichartigen Lagerbügel 20 vereinigt, welcher der Schlaufe 7 des Hauptteils der Pleuelstange entspricht.As far as the bearing cover 3.2 is concerned, its fiber structure corresponds to that of the open rod head part 3.1 the connecting rod, d. H. here is a. same bearing bracket 17 with in the area of the screws 6 attached filler pieces 18 (for the bedding of a second bearing shell half 12.2) via an intermediate layer 19 of the type described above (11) combined with a further similar bearing bracket 20, which the Loop 7 of the main part of the connecting rod corresponds.

Auch entsprechende schubübertragende Deck- und Zwischenlagen 15.1 bzw. 16.1 sind hier vorhanden.Corresponding shear-transferring cover layers and intermediate layers 15.1 and 16.1 are also present here.

Im übrigen sind mittels den Köpfen bzw. Muttern der Schrauben 6 zugeordneter Beilagklötze 21 und 22 mit entsprechender Schäftung Druckspannungsspitzen an den betreffenden Auflageflächen weitgehend ausgeschlossen. Diese Beilagklötze können wie üblich aus Metall bestehen und zur Verbesserung der Kraftübertragung auf den Flanschen 3.3 bzw. 3.4 aufgeklebt sein. Wie insbesondere Fig.2 veranschaulicht, ist der beschriebene Pleuelstangenaufbau ein Verbund aus einzelnen Faserbauteilen, welche Zuschnitte aus entsprechenden vorgeformten Strangprofilen, teils auch Stanzteile sein können. Somit ist die Pleuelstange nach einem Baukastenprinzip herstellbar, also für die Serienfertigung besonders geeignet.In addition, by means of the heads or nuts of the screws 6 associated washer blocks 21 and 22 are with Corresponding scarfing, compressive stress peaks on the relevant bearing surfaces are largely excluded. As usual, these blocks can be made of metal to improve power transmission be glued to the flanges 3.3 or 3.4. As illustrated in particular Fig.2, the connecting rod structure described a composite of individual fiber components, which blanks from corresponding preformed extruded profiles, sometimes also stamped parts. Thus, the connecting rod is after Can be produced using a modular principle, so it is particularly suitable for series production.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

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Claims (1)

Patentansprüche:Patent claims: 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 Stangenkopf teil und mit einem entsprechenden halbschalenförmigen Lagerdeckel, wobei unidirektionale Faserstränge zu einer den geschlossenen Lagerzylinder umfassenden, in Stangenlängsrichtung sich erstreckenden offenen Schlaufe zusammengefaßt sind, deren beide Gurte am offenen Stangenkopfteil für den Deckelanschluß in zur Stangenlängsachse im wesentlichen senkrechter Richtung nach außen gebogen und dabei zu einem Flansch mit Bohrungen geformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß1. Connecting rod made of fiber-reinforced plastic, one of which is a rod head, z. B. for a piston pin, as a closed, cylindrical bearing and the other rod head, e.g. B. for a crank pin, is designed as a split, cylindrical bearing with an open, half-shell-shaped one Rod head part and with a corresponding half-shell-shaped bearing cap, being unidirectional Fiber strands to a closed storage cylinder encompassing, in the longitudinal direction of the rod extending open loop are combined, the two straps on the open Rod head part for the cover connection in an essentially perpendicular direction to the longitudinal axis of the rod Curved outward direction and thereby formed into a flange with holes, thereby marked that