DE3023204C2 - Bolzen und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
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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:
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.
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.
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