DE3023204C2 - Bolzen und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bolzen für die Bolzenhalterung eines hin- und hergehenden Mechanismus, wobei der Bolzen eine Metallhülse und einen Kern aufweist. Die Erfindung be­ trifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Bolzens, bei dem der Kern in die Hülse eingeschoben wird.

Ein Bolzen der gattungsgemäßen Art wie er aus DE-PS 9 56 551 bekannt ist, besteht aus einer gehärteten und geschliffenen, längsgeschlitzten Stahlbüchse und einem ungehärteten Kern­ bolzen. Durch den zweigeteilten Aufbau soll der Einbau des Kolbenbolzens erleichtert werden.

Aus der DE-PS 8 08 300 ist ein Kolbenbolzen aus Leichtmetall bekannt, auf dessen Lauffläche eine verschleißfeste Schicht aus Schwermetall aufgebracht ist. Durch diese Maßnahmen soll eine Gewichtsverminderung und als Folge davon eine Verminde­ rung der Massenkräfte erzielt werden.

Aus der GB-PS 905 638 ist eine elastische Lagerung eines Kol­ benbolzens bekannt, bei der der Kolbenbolzen im Kolben und/oder in der Pleulstange in einer Kunststoffbuchse sitzt. Durch die Elastizität der Kunststoffbuchse sollen Stöße gedämpft werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bolzen zu schaffen, der bei geringem Gewicht eine hohe Festigkeit be­ sitzt und sich z. B. als Kolbenbolzen eignet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kern aus einem faserverstärktem Expoxyharz besteht, wobei min­ destens 50% der Fasern endlose Fasern sind, die kreuzweise in einem Winkel von +5° bis 12° bzw. -5° bis 12° zur Längs­ achse des Bolzens ausgerichtet sind.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines solchen Bolzens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kern dadurch herge­ stellt wird, daß zunächst eine Anzahl von harzimprägnierten Schichten aus gleichgerichteten endlosen Fasern hergestellt wird, wobei die Fasern in einem Winkel von 5 bis 12° zur Längs­ achse der Schicht ausgerichtet sind und die Schichten jeweils wechselweise aufeinandergebracht werden, so daß die Fasern aufeinanderfolgender Schichten kreuzweise orientiert sind, daß die aufeinandergelegten Lagen um einen Dorn herumgelegt werden und daß der Dorn nach dem Aushärten des Harzes unter Abkühlung auf die Umgebungstemperatur entfernt wird.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß durch die Verminderung des Gewichts des Bolzens eine wesentliche Reduzierung der Belastung erreicht wird. Bis zu 50% der auftretenden Kräfte werden nämlich durch das Eigengewicht verursacht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kolbenbolzen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform des Kolbenbolzens,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung in teilweise auf­ geschnittener Form zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung des Kerns und

Fig. 4 eine weitere perspektivische Darstellung, die teil­ weise aufgeschnitten ist, zur Erläuterung der Her­ stellung des Kolbenbolzens.

Der Bolzen 10 ist aus einem faser­ verstärkten Kern hergestellt, bei welchem es sich um einen vollen, festen Kern 11 (Fig. 1), oder um einen rohrförmigen Kern 12 (Fig. 2) handelt. Der Kern 11 oder 12 ist in eine rohrförmige Metall­ hülse 14 eingesteckt.

Die Metallhülse 14 kann aus verschiedenen Metallen und Metall­ legierungen wie Stahl, Aluminium oder Titan hergestellt sein, beispielsweise einem 4130-Typ Stahlrohr, das einer Wärmebe­ handlung unterworfen ist zur Erzielung der entsprechenden Festigkeit und Rockwell-Härte. Wenn beispielsweise die Ab­ nutzung nicht so bedeutsam ist wie die Festigkeit, kann die Metallhülse 14 erhitzt werden bis auf eine Endfestigkeit von ca. 14 OkN/cm². Wenn die Abnutzung wichtiger ist, dann kann die Metallhülse 14 beispielsweise bis zu einer Rockwell-C-Härte von 55 oder 56 erhitzt werden. Das Ausmaß der Wärmebe­ handlung hängt von dem Einsatzbereich ab, in welchem der Bolzen 10 verwendet werden soll.

Der Kern 11 oder 12 des Bolzens 10 besteht aus einem faserverstärkten Epoxyharz. In der Praxis der Erfindung handelt es sich bei den Fasern um endlose Fasern 21, die aus typischen Verstärkungsfasermaterialien hergestellt sind, z. B. Bor, Kohlenstoff, Graphit, Glas, Polyaramide und Mischungen hieraus. Besonders geeignet sind Kohlenstoff- oder Graphit­ fasern, die einen Young-Modul von etwa 22×10⁶ N/cm² und eine Zugfestigkeit von etwa 2,8 · 10⁵ N/cm² oder mehr besitzen.

Die Epoxyharze sind Polyepoxide, also hin­ länglich bekannte Kondensationsprodukte oder Bestandteile davon, die Oxiranringe enthalten mit Bestandteilen, die Hydroxylgruppen enthalten oder aktive Wasserstoffatome wie Amine, Säuren und Aldehyde. Bei den üblichsten Epoxyharz­ zusammensetzungen handelt es sich um Epichlorhydrin und Bis­ phenol und dessen Homologe. Die Polyesterharze sind Poly­ kondensationsprodukte mehrbasischer Säuren mit mehrwertigen Alkoholen. Typische Polyesterharze umfassen Polyterephthalate wie Polyäthylentherephthalat. Die Polyimidharze sind abge­ leitet von pyromallitischem Dianhydrid und aromatischen Dia­ minen.

Die Menge an Fasern innerhalb des Harzes hängt von der Auswahl der Faser oder der Fasern, der Festigkeit und den Gewichts­ eigenschaften des fertigen Bolzens 10 ab. Im allge­ meinen verwendet man für den Kolbenbolzen einer Brennkraft­ maschine etwa 50 bis 65 Vol.-% und insbesondere 60 bis etwa 65 Vol.-% Kohlenstoffaser im Epoxyharz.

Es können auch wahllos orientierte Faser­ abschnitte mit eingebettet sein, wobei jedoch mindestens die Hälfte der Fasern innerhalb des Kerns 11 oder 12 enlose, besonders ausge­ richtete Fasern 21 sind.

Die endlosen Fasern 21 in dem Kern 11 oder 12 des Kolben­ bolzens sind in einem vorbestimmten Orien­ tierungswinkel ausgerichtet, der zwischen etwa ±5° und ±12° in bezug auf die Längs­ achse beträgt. Die "±"- Bezeichnung bedeutet, daß die Fasern 21 kreuzweise übereinander liegen, d. h., bei einem Orientierungswinkel von ±10° ist die Hälfte der Fasern 21 bei ±10° und die Hälfte der Fasern 21 bei -10° in bezug auf die Längsachse des Kerns 11, 12 ausgerichtet (Fig. 3 und 4).

Damit die Fasern 21 in dem Kern 11, 12 kreuzweise in einem bestimmten Orientierungswinkel übereinanderliegen, wird der Kern 11, 12 aus einer Mehrzahl von imprägnierten Harz­ schichten aus endlosen gleichgerichteten Fasern 21 hergestellt, indem man zunächst Schichten 14A, 15, 16, 17 in einem rechteckförmigen, flachen Muster ausschneidet. Dann werden die Schichten so aufeinander gelegt, daß sich die Fasern 21 in aufeinanderfolgenden Schichten kreuzen. Wie die Fig. 3 zeigt, sind die gleichge­ richteten Fasern 21 in den einzelnen Schichten 14A, 15, 16 und 17 in einem speziellen vorbestimmten Winkel in bezug auf die Längsachse ausgerichtet. In den Schichten 14A und 16 sind die Fasern 21 in dem Winkel R₁ in bezug auf die Längsachse ausgerichtet. In den Schichten 15 und 17 sind die Fasern 21 in dem Winkel R₂ in bezug auf die Längsachse ausgerichtet. Die Größen der Winkel R₁ und R₂ sind gleich, jedoch in unterschiedlicher Richtung. Da die einzelnen Schichten 14A, 15, 16, 17 wechselweise aufgelegt werden, über­ kreuzen sich die Fasern 21 in benachbarten Schichten 14A, 15 usw. Diese Schichten 14A, 15, 16, 17 werden dann um einen Dorn 25 herumgelegt und auf dem Dorn 25 mittels eines Zellulosebandes oder eines entsprechenden Werkzeuges gehalten, das als Form wirkt. Hiernach wird die gesamte Anordnung erhitzt, um das Harz auszuhärten.

Typisch für epoxyharzimprägnierte Fasern liegt die Härtungs­ temperatur im Bereich von etwa 100°C bis etwa 180°C, wobei sie zweckmäßig bei 180°C liegt.

Nach dem Aushärten wird die Anordnung aus der Form herausge­ nommen, der Dorn 25 wird herausgezogen und der sich ergebende Kern 12 wird in die rohrförmige Metallhülse 14 einge­ steckt.

Da eine Anzahl von faserverstärkten Schichten 14A, 15, 16, 17 zum Aufbau des Kerns 12 eingesetzt wird, die ausreicht, damit der Kern 12 einen hinreichend großen Durchmesser besitzt, um einen festen Sitz innerhalb der Hülse 14 zu gewährleisten, ist es oftmals erforderlich, die äußere Oberfläche des zylindrischen Kerns 12 abzuschleifen, um sicher zu sein, daß der Kern 12 der erforderlichen Paßgenauigkeit in die Hülse 14 einge­ führt werden kann. Tatsächlich empfiehlt sich eine gewisse Übergröße des Kerns 12, den man anschließend abschleift, um sicherzustellen, daß der Kern 12 einen genauen Sitz innerhalb der Hülse besitzt.

Wahlweise kann vor dem Einstecken des Kerns 11 oder 12 in die Hülse 14 ein Kleber auf die innere Fläche der Hülse 14, die äußere Fläche des Kerns 11, 12 oder auf beide Flächen aufge­ bracht werden. Normalerweise wird hierfür ein thixotroper pastenförmiger Epoxykleber verwendet, wie er z. B. unter der Handelsbezeichnung Hysol EA 929 von der Hysol Division der Dexter Corporation, Pitts­ burgh, Kalifornien, V.St.A. vertrieben wird.

Nachdem man den Kern 12 in die Metallhülse 14 eingepreßt hat, wie dies die Fig. 4 zeigt, wird die Anordnung zur Nachhärtung und Aufhebung der Spannungen in einem Ofen erhitzt. Hierbei wird die Anordnung auf Temperaturen im Bereich von etwa 125° bis 175°C, im allgemeinen von 150°C gebracht, wobei die Zeit zwischen 12 bis 20 Stunden und im allgemeinen zwischen 14 bis 18 Stunden liegt.

Im Anschluß an die Nachhärtung kann die Anordnung geschliffen werden zur Herstellung einer Randabfasung und eines gleich­ mäßigen äußeren Durchmessers, falls dies erforderlich ist.

Um die Erfindung noch näher zu erläutern, werden die nach­ folgenden Beispiele angeführt:

Beispiel 1

Entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren wurde ein Kolben­ bolzen für einen 8-Zylindermotor kompakter Bauart hergestellt. Der Kolbenbolzen 10 (Hülse 14 und Kern 12) besaß eine Länge von 76,4 mm. Der Kern 12 besaß einen Innendurchmesser von 12,7 mm und einen Außendurchmesser von 22,03 mm. Der Außendurchmesser der Hülse 14 betrug 23,548 mm bis 23,551 mm. Der Innendurchmesser der Hülse 14 war hinreichend, um einen genauen Sitz des Kerns 12 zu gewährleisten, wenn dieser in die Hülse 14 hineingeschoben wurde. Die Hülse 14 war aus 4.130-Stahl mit einer Rockwell-C-Härte von 56 hergestellt. Eine 45° Abfasung wurde an jedem Ende der Hülse 14 angebracht. Der Kern 12 wurde aus einem mit end­ losen Kohlenstoffasern verstärkten Epoxyharz hergestellt. Der Orientierungswinkel der endlosen Kohlenstoffasern 21 lag bei ±10°. Der so hergestellte Bolzen 10 war 50% leichter als ein her­ kömmlicher Metallkolbenbolzen. Der Bolzen 10 wurde in einer servohydraulischen Ermüdungstestmaschine untersucht und war bei einer Million Zyklen noch nicht gebrochen.

Beispiel 2

Ein Kolbenbolzen 10 für einen 1-Zylinder-Rennmotor wurde ent­ sprechend der obigen Beschreibung hergestellt. Der Bolzen 10 (Kern 12 und Hülse 14) besaß eine Länge von 48,26 mm. Der Kern 12 besaß einen Innendurchmesser von 3,18 mm und einen Außen­ durchmesser von 11,43 mm. Der Außendurchmesser der Hülse 14 be­ trug 12,45 mm. Der Kern 12 wurde in die Hülse 14 hineingepreßt und dort passend gehalten. Die Hülse 14 war einer Wärmebehandlung unterzogen worden auf eine Endfestigkeit von 14 OkN/cm² und eine Rockwell-C-Härte von 44. Eine 45°-Abfasung wurde an beiden Enden der Hülse 14 angebracht.

Der Kern 12 wurde aus endlosen Kohlenstoffasern 21 in einer Epoxy­ matrix hergestellt. Die Faserausrichtung in dem Kern 12 lag bei ±10°. Der hergestellte Bolzen 10 besaß eine Gewichtseinsparung von 33%. Der Bolzen 10 wurde praktisch in einem Rennfahrzeug getestet und überstand über eine Million Zyklen ohne Schaden.

Claims (5)

1. Bolzen für die Bolzenhalterung eines hin- und hergehenden Mechanismus, mit einer Metallhülse (14) und einem Kern (11, 12), dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11, 12) aus einem faserverstärkten Epoxyharz besteht, wobei mindestens 50% der Fasern endlose Fasern (21) sind, die kreuzweise in einem Winkel von +5° bis 12° bzw. -5° bis 12° zur Längsachse des Bolzens (10) ausgerichtet sind.

2. Bolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhülse (14) aus Aluminium, Titan, Stahl oder Legierungen hieraus besteht.

3. Bolzen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die endlosen Fasern (21) aus Koh­ lenstoff, Bor, Graphit, Glas, Polyaramiden oder Mischungen hieraus bestehen.

4. Verfahren zur Herstellung eines Bolzens nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, wobei der Kern (11, 12) in die Hülse (14) eingeschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (12) dadurch hergestellt wird, daß zunächst eine Anzahl von harzimprägnierten Schichten (14A, 15, 16, 17) aus gleichgerichteten endlosen Fasern (21) hergestellt wird, wobei die Fasern (21) in einem Winkel von 5° bis 12° zur Längsrichtung der Schicht ausgerichtet sind und die Schichten jeweils wechselweise aufeinan­ dergebracht werden, so daß die Fasern (21) aufeinanderfol­ gender Schichten kreuzweise orientiert sind, daß die auf­ einandergelegten Lagen um einen Dorn (25) herumgelegt werden, daß der Kern (12) zum Aushärten des Expoxyharzes er­ wärmt wird und daß der Dorn (25) nach dem Aushärten des Harzes und Abkühlung auf die Umgebungstemperatur entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung des Harzes bei einer Temperatur von 100° bis 180°C erfolgt.