DE3225325C1

DE3225325C1 - Connecting rod made of fiber reinforced plastic

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, daßa) the two loops (4) connected to one another at the ends of their U-legs (4.1) are that one for bracing the bearing cover (3.2) against the half-shell-shaped rod head part {3.1) serving, perpendicular to that defined by the axes of the cylindrical bearings Plane arranged bolts (5) at its ends also loop-shaped of fiber strands is included, so the loops (4) are part of an endless loop that

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, daßb) between the ends of the U-legs (4.1) of the loops (4) - to form the open, Half-shell-shaped rod head part (3.1) - a saddle-shaped bearing bracket (7) with a half-shell-shaped area (7.1) and with adjoining flat end areas (7.2) is arranged that

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, daßc) the bearing cover (3.2) is arranged between the end regions (7.2) of the bearing bracket (7) and rests against it, the half-shell-shaped areas of the bearing cap and the Bearing bracket complement each other to a full cylinder that

d) der Bolzen (5) die Endbereiche (7.2) des Lagerbügels (7) und den Lagerdeckel (3.2) durchdringt und daßd) the bolt (5) the end areas (7.2) of the bearing bracket (7) and the bearing cover (3.2) penetrates and that

e) der Raum zwischen dem geschlossenen. Lagerzylinder (6) und dem Lagerbügel (7) durch einen Druckstab (10) ausgefüllt iste) the space between the closed. Bearing cylinder (6) and the bearing bracket (7) through a Pressure rod (10) is filled

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 ist2. connecting rod. according to claim ί, characterized in that at each end of the bolt (5) A spacer-maintaining filler piece (9) is inserted between the fiber strands encompassing the ends

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.3. Connecting rod according to claim 1 and 2, characterized in that the fiber strands at the ends of the bolt (5) are united by cover layers (8) made of fiber strands in a crosswise orientation.

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.4. Connecting rod according to claim 1, characterized in that the loops (4), in the longitudinal direction of the bearing seen, on both sides through cover layers (11) made of fiber strands in a crosswise orientation are combined, the cover layers subdividing the compression rod (10) in the longitudinal direction of the bearing.

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.5. Connecting rod according to claim 1, characterized in that the closed bearing cylinder (6) is made up of fiber strands in a crosswise orientation, in particular 0 ° / 90 ° orientation for Longitudinal axis of the bearing.

6. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch6. connecting rod according to claim 1, characterized

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35 gekennzeichnet, daß der Lagerbügel (7) aus Fasersträngen in zur ·Bügelerstreckungsrichtung kreuzweiser Orientierung, insbesondere ±45°-Orientierung, aufgebaut ist. 35 , that the bearing bracket (7) is made up of fiber strands in an orientation crosswise to the direction of extension of the bracket, in particular a ± 45 ° orientation.

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 ist7. Connecting rod according to claim 1 or 6, characterized in that the bearing bracket (7) on the Storage surface with a lining (7 ^ 3) at least of a thickness corresponding to the © icke of Butting edges of the attached bearing cover (3.2) is provided

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.8. Connecting rod according to claim 1,4 or 5, characterized in that the pressure rod (10) or its individual layer at least made of fiber strands with an orientation in the direction of the length of the rod is constructed.

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 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.Such a connecting rod known from GB-PS 13 64 317, the crank pin bearing for assembly reasons is divided, has a significantly lower mass compared to a metal connecting rod, what especially when used with high-speed reciprocating piston engines !! to smoother running and improved efficiency. Among such criteria, however, is the necessary resistance to Compression and tensile forces are not guaranteed: The fiber loops that can only be subjected to tensile loads can buckle under pressure. This can be done by using a metal jacket as a supporting outer shape exclude the fiber loops according to the connecting rod known from DE-OS 30 04575. Such a composite of two materials with different moduli of elasticity has but under load the The consequence of the connecting rod is that the stiffer fiber material then predominantly bears, i.e. the supporting 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 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 inThis object is achieved according to the characterizing part of claim 1 Invention not in a union of fiber loops with one - by DE-OS 29 51 112 for connecting rods known to themselves - staff, which "already due to its insertion between the two bearings of the connecting rod, its pressure absorption capacity to a large extent ensures. Rather, in this composite »fiber loops / compression rod« despite the waiver a division of the loop belts a connection of the bearing cover without flanges, d. H. without such loop curvatures allows for the otherwise subject to the requirement of flat flange surfaces of the open A supportive covering is indispensable for the rod head were. As far as supporting means are required, fiber composite components can be of the simplest form Be made use of. Corresponding developments (characterized in subclaims) will be explained in more detail below using an exemplary embodiment of the invention

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,

Fig. 2 diese Pleuelstange von der Seite betrachtet,Fig. 2 this connecting rod viewed from the side,

Fig.3 perspektivisch in kleinerem Maßstab den Grundkörper der Pleuelstange gemäß F ig. 1 und 2,"3 in perspective on a smaller scale Base body of the connecting rod according to Fig. 1 and 2,"

F i g. 4 in größerem Maßstab einen Schnitt durch den geteilten Stangenkopf dieser Pleuelstange.F i g. 4 shows a section through the split rod head of this connecting rod on a larger scale.

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 BereichFor 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 designed rod ends 2 and 3 on the one hand for a piston pin, not shown to or on the other hand for a crank pin, also not shown. For mounting on the crank pin, the associated rod head 3 in an open, half-shell-shaped Rod head part 3.1 and a corresponding half-shell-shaped bearing cover 3.2 divided. Around In this split configuration of the connecting rod, a structure is made up especially for its main or shaft part Fiber composite material, such as carbon fibers in a synthetic resin matrix. under warps on metal without ■ To achieve a reduction in strength, the connecting rod body has two unidirectional fiber strands existing, U-shaped loops 4, which the closed bearing cylinder 6 at its ends include and at the ends of their U-legs 4.1 so are connected to each other that a for bracing the bearing cover 3.2 against the rod head part 3.1 serving, arranged perpendicular to the plane defined by the bearing axes plane 5 on his Ends is also looped encompassed by fiber strands. They are like that. Loops 4 part one endless noose; the selected loop shape is illustrated in particular in FIG. 3. To form the open The rod head part 3.1 is a saddle-shaped one between the ends of the U-legs 4.1 of the loops 4 Bearing bracket 7 with a half-shell-shaped area

7.1 und mit daran anschließenden ebenen Endbereichen7.1 and with adjoining flat end areas

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.7.2 arranged. The bearing bracket 7 consists of fiber strands in a criss-cross manner in relation to the direction in which the bracket extends Orientation, in particular ± 45 ° orientation, and ensures a material connection with the fiber strands at the loop ends on the bolt side for the necessary shear strength and rigidity (also embedment strength) as well as opposite at the ends of the bolt 5 with the fiber strands of the loop united cover layers 8 made of fiber strands in ± 45 ° orientation. Here is 5 at each end of the bolt a spacer-maintaining filler piece 9 (FIG. 2) is inserted between the fiber strands encompassing its ends, which the bolt 5 traverses like the end regions of the bearing bracket 7 and the cover layers 8. Im so rest is the space between the closed bearing cylinder 6 and the bearing bracket 7 by a Compression rod 10 filled in, the structure of unidirectional fiber strands with one orientation has at least in the rod extension direction and thus for the necessary compressive strength and rigidity of the Connecting rod ensures. In connection with the two associated loop ends and the compression rod 10 there is the storage cylinder 6, z. B. as a bobbin, made of fiber strands, especially in a 0 ° / 90 ° orientation to the longitudinal axis of the bearing; if necessary, a metal bearing shell 6.1 is also provided. To increase the visual stiffness of this entire fiber builds on the Finally, according to FIG. 2, connecting rods are the loops 4, ″ seen in the longitudinal direction, on both sides through cover layers 11 made of fiber strands in a + 45 ° orientation united, this pushing rod 10 in the longitudinal direction of the bearing subdivide. It goes without saying that for everything cross-oriented. Fiber material corresponding Fabric or scrim can be used.

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.About the bolt 5 is finally with the bearing bracket 7 of the bearing cover 3.2 releasably joined together, which (penetrated by the bolt) is arranged between the end regions 7.2 of the bearing bracket 7 and on these is applied. Here, the half-shell-shaped areas of the bearing cover 3.2 and bearing bracket 7 complement each other a full cylinder. Because of their overlapping arrangement, there is one on the bearing surface of the bearing bracket Lining 7.3 of a thickness corresponding to the thickness of the abutting edges of the bearing cover attached to it 3.2 provided. With this type of cover connection by means of a bolt 5 arranged in the manner of a yoke there is no restriction whatsoever in the choice of material for the bearing cover 3.2. In the case of a plastic or A split, metal bearing shell 12 (possibly glued in) is also used in a light metal version provide.

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. ■As Fig.4 illustrates, can be easily by means of conical fitting sleeves 13 by simply tightening the bolt nut 5.1 the desired positioning of the Bearing cover 3.2 with respect to the bearing bracket 7 or its lining 7.3 with backlash-free (possibly pretensioned) Achieve seat on the crank pin, not shown. The individual fitting sleeve can also be used for this purpose be provided with a thread. It is also conceivable to split the bolt into two halves then z. B. in threaded blind holes of the bearing cap can be engaging pin screws. An embedment edge is by elastic washers 14 between the conical fitting sleeves 13 and the Cover layers 8 reached without hindering the aforementioned positioning process. ■

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

~- Läersefte **■■■~ - Läersefte ** ■■■

Claims

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1. 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, z. B. is formed for a crank pin, as a divided cylindrical bearing having an open, half-shell-shaped rod head portion and a corresponding \ o half-shell-shaped bearing cover, wherein unidirectional fiber strands to two closed bearing cylinder comprising, at its ends, in rod longitudinally extending, shaped U- Loops are combined, to the belts of which the bearing cover is connected, characterized in that.