DE3032117C2

DE3032117C2 - Schubstange für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE3032117C2
Application number: DE3032117A
Authority: DE
Inventors: Takeo Higashimatsuyama Saitama Arai; Keisuke Fujimi Saitama Ban
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1979-08-29
Filing date: 1980-08-26
Publication date: 1983-01-27
Also published as: JPS602530B2; GB2063418B; US4391161A; DE3032722A1; FR2464417B1; DE3032117A1; FR2464417A1; GB2063418A; JPS5635830A

Description

Metall he,g-:telli ist, erweitert unvermeidlich den geometrischen Ort der Rotation der Schubstange, was zu einem störenden Einfluß auf den Zylinder und den Zylinderblock führt und ernstliche Probleme der Raumnutzung ergibt. Das Problem ist insbesondere ernst bei Motoren mit langem Hub. Also sind zur Unterbringung einer Schubstange aus einer leichten Legierung, die eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, in einem Raum der für eine herkömmliche Schubstange aus Stahl entworfen worden ist, für verschiedene Teile des Motors Modifikationen und Konstruktionsänderungen erforderlich. Diese Modifikationen und Änderungen sind praktisch unmöglich. Selbst wenn der Motor als Ganzes zur Verwendung der Schubstange aus einer leichten Legierung neu konstruiert wird, ist ein großer Raum für den Zylinderblock erforderlich. Gleichzeitig iit die Länge des Zylinders beschränkt Folglich wird die vorragende Länge des Kolbens aus dem unteren Teil des Zylinders vergrößert, was unvermeidlich zu einem unstabilisierten Kolbenverhalten führt Das ist insbesondere in langhubigen Motoren unannehmbar.

Andererseits besteht ein erhöhter Bedarf fr.^r vermindertes Gewicht und verminderten Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren, was wiederum erfordert, eine Gewichtsverminderung der hin- und herbewegten Massen in dem Motor zu erzielen. Daraus entsteht ein Bedarf für die Gewichtsverminderung der Schubstange Um eine Gewichtsverminderung der Schubstange zu erreichen, sind die vorstehend diskutierten Probleme zu lösen.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schubstange der Gattung des Oberbegriffs des Anspnjches 1 zu schaffen, welche ein wesentlich geringeres Gewicht hat als eine herkömmliche Schubstange aus Stahl und dennoch im wesentlichen in dem gleichen Raum wie eine solche angebracht werden kann und trotzdem eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist. '

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst

Durch Einbettung des Faserbündels in Leichtmetall wird einerseits ein niedriges Gewicht und andererseits in Verbindung mit einer geeigneten Formgebung eine hohe Knickfestigkeit erzielt.

In der älteren Anmeldung DE-AS 29 16 847 ist zwar eine gattungsgemäße Schubstange bekanntgeworden, bei dieser kommt es jedoch auf die Knickfestigkeit nicht an. und gemäß Fig. 2 der genannten Schrift ist das Trägheitsmoment um die V-Achse größer als das um die X-Achse, und zwar sowohl für den Gesamtquerschnitt als autl: für den Querschnitt des faserkonzentrierten Teils.

In den Unteransprüchen 2 und 3 sind zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung in Verbindung mit Anspruch 1 gekennzeichnet.

Fine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig 1 eine vertikale Schnittansicht einer Ausführungsform einer Schubstange, und

F ig, 2 einen Schnitt längs der Linie IUIl in Fig. 1.

Eine Schubstange 1 eines Verbrennungsmotors umfaßt ein kleines Ende 2, das mit einer Bohrung 2a zur Aufnahme eines Kolbenstiftes versehen ist, einen Stangenabschnitt 3 und ein großes Ende 4₍ das mit einer halbkreisförmigen Aussparung 4a versehen ist, bei welcher es mit einer Kurbelwelle verbunden ist. An beiden Seiten des Stangenabschnitts 3 sind in Längsrichtung verlaufende Versteifungsrippen 3a, die aus zwei parallelen Reihen von Bündeln 5 aus anorganischen Fasern gebildet werden, welche mit dem Einbettungämetall M vereinigt sind, um mit diesem ein Verbundmaterial zu bilden und dadurch einen faserverstärkten Teil Fzu bilden.

Die anorganische Faser muß eine hohe Elastizität in einer Richtung und eine hohe Festigkeit aufweisen.

Ό Beispielsweise können Metallfasern wie Fasern aus rostfreiem Stahl, Karbonfasern, zusammengesetzten Fasern aus Tora, Garn oder Fäden aus einer keramischen Faser wie Siliziumkarbidfasern usw. verwendet werden als anorganische Fasern zur

ι⁵ Verstärkung der Schubstange. Diese Fasern werden in die Form eines Bündels vorgeformt um die Handhabung zu erleichtern.

Um das Gewicht dei Schubstange zu vermindern und auch Arbeit zu sparen, werden leichte Legierungen wie Aluminium, Magnesium u. dgl. als Einbettungsmetail verwendet

Nachfolgend wird die Festigkeit o*;· Schubstange mit dem beschriebenen Aufbau erörtert .

In Fig. 2 ist die zu der Achse des (nicht gezeigten) Kolbenstiftes parallele Achse mit Y bezeichnet, während die zu der V-Achse senkrechte Achse durch X wiedergegeben ist Die Drehrichtung der Schubstange ist durch einen Pfeil R wiedergegeben.

In der Schubstange 1 zeigen der faserkonzentrierte Teil F und der nur aus dem Einbettungsmetall M gebildete Abschnitt M verschiedene mechanische Eigenschaften. So sind die Trägheitsmomente der Querschnitte in der Y- und der ^-Richtung bei dem faserkonzentrierten Teil Fdurch /^ und Ι(φ bezeichnet, während diejenigen bei dem Einbettungsmetallabschnitt M mit !(„,), und If₁₇₁^ bezeichnet sind. Ferner sind die Zugfestigkeiten des faserkonzentrierten Teiles F und des Einbettungsmetallabschnitts M durch o_c und o_m wiedergegeben.

Aus der Gleichung (2) wird das Trägheitsmoment I, des gesamten Querschnitts in der V-Achse folgendermaßen bestimmt:

Λ = heb + hn>h

Ferner ergibt sich das Trägheitsmoment /, des gesamten Querschnitts in der .Y-Achse folgendermaßen:

Λ = Ifclx + l(m)x

Da der gesamte Querschnitt des Stangenabschnitts betrachtet wird als im wesentlichen rechteckige Form, die in Richtung der K-Achse länglich ist. wird natürlich die Beziehung l,< /,abgeleitet.

Ferner werden die folgenden Beziehungen festgestellt:

0, ■ Iy = Oc ■ I(c)y+O„, ■ l(c)y (J, ■ /. = 0_r ■ I;,\+a_m ■ licit

Die Zugfestigkeit o, des faserverstärkten Teils Fist viel größer als die Zugfestigkeit a_m des Einbettungsmetallabschnitts M (a_c>a_m). Ferner wird, da der Querschnitt des faserkonzentrierten Teils FaIs im wesentlichen rechieckig angesehen wird, natürlich aus der Beziehung der Länge in Y' und ^Ric.htiuig die Beziehung /(y_rä Ι(φ abgeleitet. ■

Aus der oben erläuterten Beziehung wird die folgende Bedingung abgeleitet:

a_y ■ lyä, O_x ■ I_x

und folglich die Beziehung
P > P

r_y~ rτ .

Diese Beziehung entspricht der obenerwähnten Gleichung (1). Da die Trägheitsmomente Ι(φ und Ι(φ in dem faserkonzentrierten Teil so gewählt werden, daß sie die Beziehung Ι(φ^Ι(φ bei dem Querschnitt /,·</* erfüllen, werden also Knickfestigkeiten P_x und P_y erhalten, die wohl vergleichbar sind mit denen, der Stahlschubstange, die so konstruiert ist, daß sie die Bedingung I_y£ /verfüllt.

die mechanische Festigkeit des Slangenabschnitts kann weiter erhöht werden durch geeignete Wahl des Verhältnisses der Querschnittsfläche der Fasern zu der Querschnittsfläche des faserkonzentrierten Abschnitts. Der Bereich dieses Verhältnisses wird aber bestimmt durch den Grenzwert der effektiven Konzentration der Fasern in dem vorgesehenen Bereich, um in diesem die Erhöhung der Festigkeit zu erzielen.

Wenn das obenerwähnte Verhältnis der Querschnittsfläche kleiner als 25% ist, ist es nicht nötig, das Faserbündel genau zu positionieren und zu halten Während der Druckanwendung und der Füllung sowie der Verfestigung des Einbettungsmaterials durch das

Hochdruck-Verfestigungsgießen. Außerdem ist das Verstärkungsmaß unerwünscht niedrig und erfüllt nicht den beabsichtigten Zweck.

Andererseits bewirkt ein 80% übersteigendes Querschnittsflächenverhältnis eine zu hohe Dichte der Fasern, so daß eine Neigung zur Erzeugung einer inneren Fehlstelle während der Druckanwendung, der Füllung und der Verfestigung durch das Hochdruck-Verfestigungsgießen besteht, wodurch möglicherweise die Wirkung der Verstärkung verschlechtert wird.

Das optimale Verhältnis der Querschnittsfläche der Fasern zu dem Gesamtquerschnitt des zu verstärkenden kritischen Abschnitts wird bestimmt durch das Verstärkungsmaß der Faserverstärkung, das auf dem Gesetz der Zusammensetzung basiert, sowie durch das Volumen des Einbettungsmaterials. Es ist nicht möglich, eine ausreichend hohe Verstärkungswirkung zu erhalten, wenn das obenerwähnte Verhältnis 10% oder weniger beträgt. Wenn dagegen das obenerwähnte Verhältnis 40% übersteigt, ist das Verhältnis des Volumens der Fasern zu dem Volumen des Einbettungsmaterials zu groß, so daß das Füllen und das Vereinigen des Einbettungsmaterials mit den Fasern erschwert wird und der Verstärkungseffekt verloren geht.

Das optimale Verhältnis der Querschnittsfläche des faserkonzentrierten Abschnitts zu der der Fasern, das die höchste Verstärkungswirkung liefert, variiert in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie dem Durchmesser der verwendeten Fasern, der Wärmekapazität der Fasern, der Feuchtigkeitsaufnahme bezüglich des Einbettungsmaterials usw. Es trifft zu, daß ein bestimmter Spielraum zur Verbesserung des Einbettungsmaterialvolumens vorhanden ist, zum Beispiel durch Änderung des Gießverfahrens, der Gießbedingung, des Speisekopfes des geschmolzenen Einbettungsmalerials usw. Eine derartige Verbesserung ist aber häufig mit Nachteilen in der Produktivität verbunden. Daher werden erfindungsgemäß die Zahl der Fasern, die Dichte der Fasern und die Gestalt des Faserbündels vor der Vereinigung mit dem Einbettungsmaterial geeignet gewählt in Übereinstimmung mit der Gestalt des kritischen Querschnitts des zu verstärkenden Teiles, derart, daß das Verhältnis der Querschnitts· fläche der Fasern zu der des faserkonzentrierten Abschnitts vorzugssveise innerhalb des Diereiches von 25% bis 80% liegt, und die Gesamtzahl der Fasern oder die Zahl der Faserbündel wird so gewählt, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche der Fasern zu der gesamten Querschnittsfläche des kritischen Abschnitts vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 10 bis 40% liegt.

Praktische Beispiele für die Herstellung der Schubstange werden nachfolgend beschrieben.

L/i, I j |y ι

Zwei Faserbündel von 7 mm Durchmesser und 240 mm Länge werden gebildet aus je 91 000 rostfreien Stahldrähten mit einem Faserdurchmesser von 25 μ und einer Faserfestigkeit von 180 kg/mm². Diese Fasern wurden in eine (nicht gezeigte) Form zum Gießen einer Schubstange für einen Verbrennungsmotor derart eingesetzt, daß diese Bündel die Stellungen zentraler Rippen auf beiden Seiten des Stangenabschnitts der Schubstange besetzen. Dann wurde unter Verwendung einer Aluminiumlegierung (JIS AC4D) als Einbettungsmaterial eine Schubstange gebildet durch ein Hochdruek-Verfestigungsverfahren, u..i einen faserverstärkten zentralen Rippenabschnitt zu erhalten, wie in F i g. 2 gezeigt.

Die auf diese Weise hergestellte Schubstange hatte eine kritische Querschnittsfläche A von 228 mm² bei dem Stangenabschnitt, ein Trägheitsmoment I_x des Querschnitts um die .Y-Achse von 7860 mm², ein Trägheitsmoment f_y des Querschnitts um die V-Achse von 2400 mm⁴ sowie einen Abstand / von 127,4 mm zwischen den Achsen des kleinen und des großen Endes. Das zusammengesetzte Verhältnis des gesamten Querschnitts ist 20 VoIumen-% (64,2 kg/mm² bei Zimmertemperatur, 55,4 kg/mm² bei 200⁰C). Bei dem Einbettungsmaterial waren die Kennwerte 36 kg/mm² bei Zimmertemperatur und 25 kg/mm² bei 200° C.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Knickbelastungen der oben angegebenen Schubstange P_x und P_y im Vergleich zu denen der herkömmlichen Schubstange aus einer homogenen leichten Legierung.

Wie aus der Tabelle hervorgeht, ist die Knickbeanspruchung P_y in Richtung der K-Achse (Drehrichtung) größer als die theoretische Festigkeit des gesamten Querschnitts bei dem kritischen Querschnitt Das bedeutet, daß das Trägheitsmoment des Querschnitts bei dem faserkonzentrierten Teil der Schubstange stark zur Verbesserung ihrer Festigkeit beiträgt.

	Herkömmliche Schubstange	Schubstange der Erfindung theoreL Wert	200°C	gemess. Wert	200⁰C
	Temp. Z-Temp. 200⁰C	Z-Temp.	5 300	Z-Temp.	7000
P, (kg)	7 600 5 300	7500	10 000	8 500	13 500
P, (kg)	6 400 4 500	11500	14 000
Anmerkung:	Zusammengesetzt aus AC4D; keine Verstärkungsfaser verwendet	Verbundfestigkeit in ^-Achsrichtung. Einbetrungsmaterialfestigkeit in X-Achsrichtung.
I Z-Temp. = Zimmertemperatur. I

Beispiel II

Ein Faserbündel Von 240 mm Länge und mit einem Rechteckqiierschriitt Von 76 mm² (8 χ 9,5 mm) wurde gebildet aus 98 000 rostfreien Slahlfasern mit einem Faserdurchmesser von 25 μ, einer Zugfestigkeit von 150 kg/mm² und einem Modul von 1900 kg/mm². Die gesamte Querschnittsfiäche der Fasern und deren Gesamtgewicht waren 48,1 mm² bzw. 45 g. Dieses Bünaei wurde in die Form eingesetzt zum Gießen einer Schubstange eines Verbrennungsmotors, und zwar über den Abschnitt, der dem Stängenabschnitt und dem kleinen Ende der Schubstange entspricht. Dann wurde eine Schubstange eines Verbrennungsmotors hergestellt durch ein Hochdruck-Verfestigungs-Gießverfahfen, bei welchem der zentrale Teil der Schubslange (kritischer Querschnitt 233 mm²) und der kleine Endabschnitt unter Verwendung von JiS AC8B als Einbettungsmetaii verstärkt wurden.

ill

10

15

20

Zwei Faserbündel von 5 mm Durchmesser und 240 mm Länge wurden aus den gleichen rostfreien Stahlfasern wie den in dem Beispiel Il verwendeten >;■ gebildet. Eine Schubstange mit auf beiden Seiten des Stangenabschnitts ausgebildeten Rippehabschnitten (kritische Fläche 233 mm²) wurde konzentrisch mit den Faserbündeln verstärkt.

Beispiel IV

Ein Faserbündel von 7 mm Durchmesser und 240 mm Länge wurde aus den gleichen rostfreien Stahlfasern wie den in Beispiel »II verwendeten gebiidefw Beide zentrale Rippenabschnitte des Stangehabschriitts (kritische Fläche 204 mm²) der Schubstange wurden konzentrisch verstärkt mit diesem Faserbündel, genauso wie in Beispiel II.

Beispiel V

Eine Schubstange für einen Verbrennungsmotor gleich der in Beispiel ItI wurde hergestellt unter Verwendung eines Faserbündels von 5,5 min Durchmesser und 240 mm Länge, bestehend aus' Siliziümkärbidfasern (Gesamtzahl 538 000, Gesamtgewicht log, Faserdurchmesser 8 μ, Modul 19 600 kg/mm²) anstelle des Vorerwähnten Bündels aus rostfreien Stahlfasern, wie in Beispiel ΐί; verwendet

\ Die Kennwerte der Fasern in der kritischen Fläche, die nach dem Gesetz der Zusammensetzung theoretisch berechnete Zugfestigkeit sowie der Modul der Schubstange der vorhergehenden Beispiele Π bis V sind in der folgenden Tabelle gezeigt.

130 264/415

t^^si!s>e^iissm»iism^^esasimⁱt^mmvs^m!ss^^^^mimmimm

Kennwerte und Festigkeit gemäB'dem CFesetz'der Zusamntz bei der kritischen Fläche ι

Beispiel

Fasor	Zahl der
gewicht	Fasern
(β)
45	98 000
45	98 000
45	98 000
10	538 000

Gesamte Faserquerschnittsfläche (A)Z gesamte Querschnittsfläche (B) des kritischen Abschnitts

Verhältnis (A)Z(B)

Gestalt der Fläche der Faserkonzentration Gesamte Faserqtierschnittsfläche (A)Z
Querschnittsnäche des
faserkonzentriertsn
Abschnitts (C)

Verhältnis

(A)Z(C)

Festigkeit gemäß Gesetz dec Zusammensetzung

Zug (kg/mm²)

Modul (kg/mm²)

48,1/233 48,1/233 48,1/204 29,9/204

20,7 20,7 23,6 14,7

8X9,5 50X4 70X2 5,5 0X2 48,1/76

48,1/78,5

48,1/77

29,9/47,5

63 61 62,5 62,9

54,8 54,8 58,3 69,0

9640 9640 9980 9020

Mit den Schubstangen der obigen Beispiele II bis V wurde ein Zugfestigkeitstest ausgeführt. Die Testergebnisse zeigten, daß die statische Zugfestigkeit übereinstimmt mit der theoretisch gemäß dem Gesatz der Zusammensetzung bestimmten Festigkeit, und es wurde kein wesentlicher Unterschied aufgrund der Ste'.lung der Verstärkung beobachtet.

In einem dynamischen Test wurden die folgenden Ergebnisse erhalten. Und zwar wurde in Beispiel Π eine Beanspruchungskonzentration bei den beiderseitigen Rippenabschnitten beobachtet je nach der Querschnitlsgestält des Stangenabschnitts, wenn das kleine und das große Ende einer dynamischen Belastung unterworfen wurden. Daher wurde eine anfängliche Ermüdung in diesen Rippenabschnitten erzeugt und dann auf den zusammengesetzten Abschnitt übertragen, Wo die Fasern konzentriert sind, und die weitere Ausbreitung der Ermüdung wird angehalten. Da aber in diesem Zustand an dem Stanger.abschnitt eine Biegung verursacht wird, wird eine Ausbreitung der Biegebeanspruchung in der Fasenäiigsrit.rHurig bei dein iuSäfiifnengesetzten Abschnitt bewirkt, so daß ein Bruch auf einmal stattfindet, wenn die Ausbreitung aus dem zusammengesetzten Abschnitt herausgekommen ist. •Daher wurde in Beispiel II keine wesentliche Wirkung der Vermeidung einer anfänglichen Ermüdung beobachtet, obwohl der Bruch aufgrund von Ermüdung wirksam vermieden wurde.

In dem Beispiel III, bei dem nach Erkennung des Ergebnisses des mit dem Beispiel II durchgeführten Tests die SeitenrippenabschniUe größer Beanspruthungskonzentration konzentrisch mit Fasern verstärkt sind, wurden die Entstehung und die Ausbreitung der Ermüdung in beiden Rippenabschnitten sehr verzögert, und es wurde eine merkliche Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit beobachtet.

Das bedeutet, daß ein drastischer Verstärkungseffekt erhalten wird dadurch, daß die optimale Stellung der Verstärkung gewählt wird, wobei die Gestalt des zu verstärkenden Teiles in Betracht gezogen wird, ν

Folglich wurde eine weitere Verbesserung der Festigkeit erzielt, indem der Stangenabschnitt der Schubstange so aufgebaut wurde, daß er Versteifungsrippen an seinen beiden Seitenabschnitten hatte, und daß diese Rippenabschnitte mit Fasern konzentrisch verstärkt wurden wie in dem Beispiel IV.

Also wird erfindungsgemäß die Schubstange geeignet und wirksam mit Fasern verstärkt, wobei die Beanspruchungsverteilung in Betracht gezogen wird, die durch die Gestalt der Schubstange bestimmt wird, im Gegensatz zu der herkömmlichen Schubstange, bei welcher die Verstärkungslegierung und/oder -fasern gleichmäßig oder homogen verteilt sind. Gleichzeitig wird es möglich, die Gestalt der Schubstange geeignet für die Verstärkung mit Fasern zu wählen, ohne an der "iGestalt der herkömmlichen Schubstange festzuhalten.

Wie beschrieben, ist es erfindungsgemäß möglich, Querschnittsformen und Konstruktionsverfahren anzunehmen, die von denen der herkömmlichen Schubstange aus homogener leichter Legierung völlig verschieden sind, indem das Trägheitsmoment des Querschnitts in dem faserverstärkten Teil in Betracht gezogen wird, der ■/op. dem E!nbettungsrnet<iHHOSii.ri;a der Schu&stange völlig verschiedene Festigkeit und Modul zeigt, und indem die Riclrtungsw^:rkung des Trägheitsmomentes des Querschnitts geeignet gewählt wird. Daher kann in der Schubstange der Erfindung das Trägheitsmoment l_y in der Rotationsrichtung ausreichend vermindeic werden im Vergleich zu I_x in der Axialrichtung. Es ist also möglich, einen kleinen geometrischen Ort der Bewegung der Schubstange zu erhalten, der im wesentlichen dem der herkömmlichen Schubstange äquivalent ist, um Probleme wie das Zusammentreffen mit dem Zylinder oder dem Zylinderblock zu vermeiden und damit erste Probleme betreffend den Raurrs zu beseitigen.

Die beschriebene Herstellung ist anwendbar auf die herkömmliche Schubstange mit der Beziehung I_y> I_x. In diesem Fall ist aber der Vorteil betreffend den geometrischen Ort nicht so beachtlich, oder das Festlegen des faserverstärkten Teils ist zu kompliziert. 2ine solche Anwendung wird daher nicht empfohlen.

Die Herstellung des faserverstärkten Verbundmaterials wird durch Einfüllen und Vereinigen des Einbettungsmetalls mit anorganischen Fasern durch ein Hochdruck-Verfestigungs-Gießverfahren derart durchgeführt, daß das Verhältnis dei QuersciiniühfiäOne sämtlicher Fasern zu der gesamten Fläche in einem beliebigen Querschnitt des faserverstärkten Stangenabschnitts innerhalD des Bereiches von IO bis 40% liegt, und daß das Verhältnis der Querschnittsfläche der Fasern zu der Querschnittsfläche in dem Abschnitt der Faserkonzentration zwischen 25 und 80% liegt. Daher wird die Herstellung der Schubstange ermöglicht und erleichtert, da eine visl geringere Beschränkung betreffs der Füllung und Vereinigung des Einbettungsmetalls mit den Verstärkungsfasern gegeben ist als bei der Herstellung der herkömmlichen Schubstange, bei welcher die Fasern gleichmäßig über den gesamten Abschnitt der Schubstange verteilt sind. Ferner ist es möglich, die Abschnitte, die die Verstärkung benötigen, wirksam zu verstärken unter minimaler Verwendung von Verstärkungsfasern gemäß der Gestalt des zu verstärkenden Teiles, so daß das Erzeugnis eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit aufweisen kann.

Da außerdem keine gleichmäßige Verteilung der Fasern benötigt wird, wird die Handhabung der Fasern sehr erleichtert, und ferner wird die Effizienz der Faserfüilung und der Vereinigung verbessert und die Zahl der Fertigungsschritte wird vermindert, selbst wenn das Einbettungsvolumen aufgrund der Gehalt der Schubstange beschränkt ist, da eine konzentrierte Verstärkung mit Fasern an bestimmten örtlichen Abschnitten möglich ist.

Ferner können das Maß der Konzentration von Fasern (die Zahl der Fasern) sowie der Volumenprozentsatz der Fasern zu dem Einbettungsmetall in weiten Grenzen gewählt werden, um eine Verstärkung gemäß der Funktion und der Tätigkeit des zu verstärkenden Teiles zu ermöglichen.

Da nur der die Verstärkung benötigende Abschnitt ■^wahlweise verstärkt wird — im Gegensatz zu der herkömmlichen Schubstange —, ist es möglich, ein Teil zu erhalten, das insgesamt ausgewogen ist, wobei die Kennwerte des Einbettungsmaterials günstig genutzt werden. Das bedeutet, daß die besondere Überlegung, die bei der herkömmlichen Schubstange zur Richtung der Beanspruchung erforderlich war, ziemlich ausgeschaltet ist, und daß die Entstehung lokaler Schwachstellen aufgrund einer bestimmten Anordnung der Faserrichtung vollständig vermieden wird.

Hierzu 1 Blatt

Claims

Patentansprüche:

1. Schubslange für einen Verbrennungsmotor, bei welcher ein Bündel anorganischer Fasern sich in Längsrichtung des Stangenabschnittes der Schubstange erstreckt und in eirr Einbettungsmaterial eingebettet ist, um so einen faserkonzentrierten Teil zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbettungsmaterial eine Leichtmetallegierung (M) ist und daß, wenn die zur Achse eines Kolbenstiftes parallele Achse in einem Querschnitt des StangRnabschniües (3) .nit Y und die dazu senkrechte Achse mit X bezeichnet werden, das Flächenträgheitsmoment des tesamtquerschnittes des Slangenabschnittes um die /-Achse über seine gesamte Länge kleiner ist als das entsprechende Flächenträgheitsmoment um die X-Achse und das Flächenträgheitsmoment des Querschnittes des faserkonzentrierten Teils um die K-Achse bei jedem Querschnitt über die gesamte Länge des Stangenabschnittes größer ist als das entsprechende Flächenträgheitsmoment um die -Y-Achse.

2. Schubstange nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche der Fasern /u der Gesamtfläche in jedem beliebigen Querschnitt des .Stangenabschnitts so gewählt ist, daß es /wischen 10% und 40% liegt, und daß das Verhältnis der Querschnittsfläche der Fasern zu der Querschnittsfläche des faserkon/entrierten Abschnitts so gewählt ist, daß es zwischen 25% und 80% liegt

3. Schubstange nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekenn/eichnet. daß Versteifungsrippenabschniite des Stangenabschnitts konzentrisch mil den anorganischen Fasern verstärkt sind.

Die Erfindung betrifft eine Schubstange für einen Verbrennungsmotor, bei welcher ein Bündel anorganischer Fasern sich in Längsrichtung des Stangenabschnitts der Schubstange erstreckt und in ein Einbetlungsmäterial eingebettet ist, um so einen faserkonzentrierten Teil zu bilden.

Im allgemeinen müssen die mechanische Festigkeit und die Gestalt der Schubstange eines Verbrennungsmotors verschiedene Erfordernisse erfölien, um den Knick- und Biegekräften standzuhalten.

Hinsichtlich des Knickens der Schubstange besteht folgende Beziehung zwischen der Festigkeit und der Gestalt der Schubstange:

ρ = ^A ' ^σ'.χ

2 ι

iyx =

worin Xund Korthogoiale Achsen sind.

Mehr im einzelnen verläuft in dem Querschnitt des Stangenabschnitts der Schubstange die V-Achse in der zu der Achse des Kolbenstiftes parallelen Richtung, wobei die X-Achse unter rechtem Winkel zu der y-Achse verläuft Die Zeichen P_y und P, bedeuten die Knickbeanspruchung in der y-Achse (Drehrichtung) bzw. die Knickbeanspruchung in der X-Achse (Axialrichtung). Das Symbol A bedeutet die kritische Querschnittsfläche des Stangenabschnitts. Das Zeichen

:i Oy χ bedeutet die Zugfestigkeit im Fall eines homogenen Materials, wogegen ao eine Konstante ist. Der Abstand zweier Achsen des kleinen und des großen Endes der Schubstange ist mi.· dem Zeichen /wiedergegeben. Die Symbole I_y und /, bezeichnen das Trägheitsmoment des

in Querschnitts in der K-Achse (Drehrichtung) bzw. das Trägheitsmoment des Querschnitts in der X-Achse.

Es besteht auch eine durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückte Beziehung, in welcher K die zulässige Knickgrenze bedeutet:

^iS P,ä/>,>K (1)

Aus der Gleichung (1) wird folgende Gleichung (2) abgeleitet:

Da im Fall eines homogenen Materials O₁ und o, einander gleich sind, ergibt sich ans Gleichung (2) die folgende Gleichung (3):

Also ist die Rotationsseite einer Schubstange im wesentlichen auf die gleiche Art wie die freie Stütze gestützt und neigt im Vergleich zu der Axialseite leicht zum Knicken. Außerdem ist die Rotationsseitc der

Vi Schubstange oszillierenden Biegekraften unterworfen Aus diesen Gründen besteht eine übliche Maßnahme darin, festzulegen, daß das Trägheitsmoment der Flache (second moment of inertia) bei der Rotationsscite I V-Achse) großer gemacht werden soll als bei der

ss Axialseite (X-Achse).

Unter diesen Umständen ist empfohlen worden, den Stangenabschnitt der Schubstange so auszubilden, daß er einen H formigen Querschnitt hat In diesem Fall ist es. um das Trägheitsmoment /, in der V-Achse zu

iy vergrößern, erforderlich, die Masse in möglichst großem Abstand von der V'-Achse anzuordnen, was seinerseits die Größe der Schubstange in der A-Achse vergrößert Insbesondere ist es bei der Schubstange aus einer leichten Legierung erförderlich für i_r und Λ beachtlich große Werte zu wählen und an die Beziehung iyklt zu denken. Folglich wird die Größe der Schubstange in der X-Achse noch weiter erhöht

Die vergrößerte Größe der Schubstange, die aus