DE3225325C1

DE3225325C1 - Pleuelstange aus faserverstaerktem Kunststoff

Info

Publication number: DE3225325C1
Application number: DE19823225325
Authority: DE
Inventors: 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: 1984-01-05
Also published as: GB2123923B; FR2529973B1; GB2123923A; FR2529973A1; GB8315147D0

Description

a) die beiden Schlaufen (4) an den Enden ihrer U-Schenkel (4.1) so miteinander verbunden sind, daß ein zum Verspannen des Lagerdeckels (3.2) gegen den halbschalenförmigen Stangenkopfteil {3.1) dienender, senkrecht zu der durch die Achsen der zylindrischen Lager definierten Ebene angeordneter Bolzen (5) an seinen Enden ebenfalls schlaufenförmig von Fasersträngen umfaßt ist, wobei so die Schlaufen (4) Teil einer endlosen Schlinge sind, daß

b) zwischen den Enden der U-Schenkel (4.1) der Schlaufen (4)— zur Bildung des offenen, haibschalenförmigen Stangenkopfteils (3.1) — ein sattelförmiger Lagerbügel (7) mit einem halbschalenförmigen Bereich (7.1) und mit daran anschließenden ebenen Endbereichen (7.2) angeordnet ist, daß

c) der Lagerdeckel (3.2) zwischen den Endbereichen (7.2) des Lagerbügels (7) angeordnet ist und an diesen anliegt, wobei die halbschalenförmigen Bereiche des Lagerdeckels und des Lagerbügels sich zu einem Vollzylinder ergänzen, daß

d) der Bolzen (5) die Endbereiche (7.2) des Lagerbügels (7) und den Lagerdeckel (3.2) durchdringt und daß

e) der Raum zwischen dem geschlossenen. Lagerzylinder (6) und dem Lagerbügel (7) durch einen Druckstab (10) ausgefüllt ist

2. Pleuelstange. nach Anspruch ί, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ende des Bolzens (5) zwischen den die Enden umfassenden Fasersträngen ein distanzhaltendes Füllstück (9) eingefügt ist

3. Pleuelstange nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstränge an den Enden des Bolzens (5) durch Decklagen (8) aus Fasersträngen in kreuzweiser Orientierung vereinigt sind.

4. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaufen (4), in Lagerlängsrichtung gesehen, beidseitig durch Decklagen (11) aus Fasersträngen in kreuzweiser Orientierung vereinigt sind, wobei die Decklagen den Druckstab (10) in Lagerlängsrichtung unterteilen.

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, dadurch

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35 gekennzeichnet, daß der Lagerbügel (7) aus Fasersträngen in zur ·Bügelerstreckungsrichtung kreuzweiser Orientierung, insbesondere ±45°-Orientierung, aufgebaut ist.

7. Pleuelstange nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerbügel (7) an der Lagerfläche mit einer Auskleidung (7^3) wenigstens von einer Dicke entsprechend der ©icke der Stößkanten des hieran angefügten Lagerdeckels (3.2) versehen ist

8. Pleuelstange nach Anspruch 1,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstab (10) bzw. dessen einzelne Lage zumindest aus Fasersträngen mit einer Orientierung in Stängenerstreckungsrichtung aufgebaut ist.

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

Eine derartige durch die GB-PS 13 64 317 bekannte Pleuelstange, deren Kurbelzapfenlager aus Montagegründen geteilt ist, hat im Vergleich zu einer metallenen Pleuelstange eine wesentlich geringere Masse, was insbesondere im Falle der Verwendung bei hochtourigen Hubkolbenmaschine!! zu höherer Laufruhe und verbessertem Wirkungsgrad führt. Unter solchen Kriterien ist allerdings die nötige Festigkeit gegen Druck- und Zugkräfte nicht ohne weiteres gewährleistet: Die für sich nur zugbelastbaren Faserschlaufen können unter Druckbelastung ausknicken. Dies läßt sich zwar durch einen Metallmantel als stützende Außenform der Faserschlaufen entsprechend der durch die DE-OS 30 04575 bekannten Pleuelstange ausschließen. Ein solcher Verbund zweier Werkstoffe unterschiedlicher Elastizitätsmodule hat aber 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 Patentanspruchs 1 gelöst Demnach erschöpft sich die Erfindung nicht in einer Vereinigung von Faserschlaufen mit einem - durch die DE-OS 29 51 112 für Pleuel an jsich bekannten — Stab, welcher "bereits aufgrund seiner Einfügung zwischen den beiden Lagern der Pleuelstange deren Druckaufnahmefähigkeit weitgehend sicherstellt. Vielmehr ist bei diesem Verbund »Faserschlaufen/Druckstab« trotz des Verzichts auf eine Teilung der Schlaufengurte ein Anschluß des Lagerdeckels ohne Flansche, d. h. ohne solche Schlaufenkrümmungen ermöglicht, für die sonst unter der Forderung nach planen Flanschflächen des offenen Stangenkopfes eine stützende Ummantelung unerläßlich wäre. Soweit stützende Mittel erforderlich werden, kann von Faserverbundanteilen einfachster Form Gebrauch gemacht werden. Entsprechende (in Unteransprüchen gekennzeichnete) Weiterbildungen werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläuert Dazu zeigt die Zeichnung in

F i g. 1 in Stirnansicht eine an einem der beiden Stangenköpfe geteilte Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoff,

Fig. 2 diese Pleuelstange von der Seite betrachtet,

Fig.3 perspektivisch in kleinerem Maßstab den Grundkörper der Pleuelstange gemäß F ig. 1 und 2,"

F i g. 4 in größerem Maßstab einen Schnitt durch den geteilten Stangenkopf dieser Pleuelstange.

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 to bzw. andererseits für.einen ebenfalls nicht dargestellten Kurbelzapfen. Zur Montage am Kurbelzapfen ist der zugeordnete Stangenkopf 3 in einen offenen, halbschalenförmigen Stangenkopfteil 3.1 und einen entsprechenden halbschalenförmigen Lagerdeckel 3.2 geteilt. Um bei dieser geteilten Konfiguration der Pleuelstange vor allem für deren Haupt- bzw. Schaftteil einen Aufbau aus Faserverbundwerkstoff, wie Kohlenstoffasern in einer Kunstharzmatrix,. unter Verzieht auf Metall ohne ■ Festigkeitsminderung zu erreichen, weist der Pleuelgrundkörper zwei aus Unidirektionalfasersträngen bestehende, U-förmige Schlaufen 4 auf, welche den geschlossenen Lagerzylinder 6 an seinen Enden umfassen und an den Enden ihrer U-Schenkel 4.1 so miteinander verbunden sind, daß ein zum Verspannen des Lagerdeckels 3.2 gegen den Stangenkopfteil 3.1 dienender, senkrecht zu der durch die Lagerachsen definierten Ebene angeordneter Bolzen 5 an seinen Enden ebenfalls schlaufenförmig von Fasersträngen umfaßt ist. Dabei sind so die. Schlaufen 4 Teil einer endlosen Schlinge; die gewählte Schlingenform verdeutlicht insbesondere Fig.3. Zur Bildung des offenen Stangenkopfteils 3.1 ist zwischen den Enden der U-Schenkel 4.1 der Schlaufen' 4 ein sattelförmiger Lagerbügel 7 mit einem halbschalenförmigen Bereich

7.1 und mit daran anschließenden ebenen Endbereichen

7.2 angeordnet. Der Lagerbügel 7 besteht aus Fasersträngen in zur Bügelerstreckungsrichtung kreuzweiser Orientierung, insbesondere ±45°-Orientierung, und sorgt in Stoffschlußverbindung mit den Fasersträngen an den bolzenseitigen Schlingenenden für die hier nötige Schubfestigkeit und -steifigkeit (auch Lochleibungsfestigkeit) ebenso wie gegenüberliegend an den Enden des Bolzens 5 mit den Fasersträngen der Schlinge vereinigte Decklagen 8 aus Fasersträngen in ±45°- Orientierung. Hierbei ist an jedem Ende des Bolzens 5 zwischen den dessen Enden umfassenden Fasersträngen ein distanzhaltendes Füllstück 9 (Fig.2) eingefügt, welches der Bolzen 5 wie die Endbereiche des Lagerbügels 7 und die Decklagen 8 durchquert. Im so übrigen ist der Raum zwischen dem geschlossenen Lagerzylinder 6 und dem Lagerbügel 7 durch einen Druckstab 10 ausgefüllt, der einen Aufbau aus Unidirektionalfasersträngen mit einer Orientierung zumindest in Stangenerstreckungsrichtung aufweist und damit für die nötige Druckfestigkeit und -steifigkeit der Pleuelstange sorgt. In Verbindung mit den beiden zugeordneten Schlingenenden und dem Druckstab 10 besteht der Lagerzylinder 6, z. B. als ein Wickelkörper, aus Fasersträngen insbesondere in 0° /90° -Orientierung zur Lagerlängsachse; erforderlichenfalls ist noch eine metallene Lagerschale 6.1 vorgesehen. Zur Erhöhung der Sehubsteifigkeit dieses gesamten Faser auf baus der Pleuelstange sind schließlich gemäß Fig:2 die Schlaufen 4, "in Längsrichtung gesehen, beidseitig durch Decklagen 11 aus Fasersträngen in +45°-Orientierung vereinigt, wobei diese den Druckstab 10 in Lagerlängsrichtung unterteilen. Es versteht sich, daß für sämtliches kreuzweise orientiertes. Fasermaterial entsprechendes Gewebe oder Gelege verwendbar ist.

Über den Bolzen 5 ist schließlich mit dem Lagerbügel 7 der Lagerdeckel 3.2 lösbar zusammengefügt, welcher (vom Bolzen durchdrungen) zwischen, den Endbereichen 7.2 des Lagerbügels 7 angeordnet ist und an diesen anliegt. Hierbei ergänzen sich die halbschalenförmigen Bereiche des Lagerdeckels 3.2 und Lagerbügels 7 zu einem Vollzylinder. Wegen deren überlappter Anordnung ist an der Lagerfläche des Lagerbügels eine Auskleidung 7.3 von einer Dicke entsprechend der Dicke der Stoßkanten des hieran angefügten Lagerdekkels 3.2 vorgesehen. Bei dieser Art des Deckelanschlusses mittels eines jochartig angeordneten Bolzens 5 besteht in der Materialauswahl für den Lagerdeckel 3.2 keinerlei Einschränkung. Im Falle einer Kunststoff- oder auch Leichtmetallausführung wird man zusätzlich eine (ggf. eingeklebte) geteilte, metallene Lagerschale 12 vorsehen.

Wie noch Fig.4 veranschaulicht, läßt sich leicht mittels Kegelpaßhülsen 13 durch bloßes Anziehen der Bolzenmutter 5.1 die gewünschte Positionierung des Lagerdeckels 3.2 gegenüber dem Lagerbügel 7 bzw. dessen Auskleidung 7.3 mit spielfreiem (u. U. vorgespannten) Sitz auf dem nicht dargestellten Kurbelzapfen erreichen. Hierfür kann ebenso die einzelne Paßhülse mit einem Gewinde versehen sein. Auch ist eine Zweiteilung des Bolzens denkbar, dessen beide Hälften dann z. B. in Gewindesacklöcher des Lagerdeckels eingreifende Stiftschfauben sein können. Eine Lochleibungsrandeinfassung wird durch elastische Beilagscheiben 14 zwischen den Kegelpaßhülsen 13 und den Decklagen 8 erreicht, ohne den vorgenannten Positionierungsvorgang zu behindern. ■

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

~- Läersefte **■■■

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 \o halbschalenförmigen Lagerdeckel, wobei unidirektionale Faserstränge zu zwei den geschlossenen Lagerzylinder an seinen Enden umfassenden, in Stangenlängsrichtung sich erstreckenden, U-förmigen Schlaufen zusammengefaßt sind, an deren Gurten der Lagerdeckel-angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß .