DE3241141C2 - Connecting rod for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Herstellung von faserbündelverstärkten Gußteilen, beispielsweise Pleuelstangen für Brennkraftmaschinen, das einen Schritt zum Vorbereiten eines Bündels (F) von einseitig wirkenden anorganischen Fasern, wobei zumindest einige davon metallisch oder metallbeschichtet sind, durch Anordnen des Bündels (F) in einem formgebenden, rohrförmigen Behälter (P) und durch Erhitzen des Bündels (F) bis zu einem Grad, bei dem zumindest ein teilweises Verschmelzen oder Sintern der metallischen oder metallbeschichteten Fasern miteinander auftritt, enthält. Das teilweise verschmolzene oder gesinterte Bündel (F) wird in einer Gießform mit einem bestimmten minimalen Spalt oder Zwischenraum, der dieses umgibt, angeordnet. Eine geschmolzene Leichtmetall-Legierung wird unter Druck in die Gießform zum Ausbilden einer Matrix oder eines Gefüges der Leichtmetall-Legierung und des Bündels (F) eingegossen. Im Falle einer Pleuelstange sollte das Bündel (F) elliptisch ausgeformt sein und derart in der Gießform positioniert werden, daß das Flächenträgheitsmoment um eine Y-Achse (I(c)y) kleiner als das Flächenträgheitsmoment um eine X-Achse (I(c)x) ist.A method of making fiber bundle reinforced castings, for example connecting rods for internal combustion engines, comprising a step of preparing a bundle (F) of single-acting inorganic fibers, at least some of which are metallic or metal-coated, by placing the bundle (F) in a forming tubular container (P) and heating the bundle (F) to a degree where at least partial fusion or sintering of the metallic or metal-coated fibers together occurs. The partially fused or sintered bundle (F) is placed in a mold having a certain minimum gap or space surrounding it. A molten light metal alloy is poured under pressure into the mold to form a matrix or structure of the light metal alloy and the bundle (F). In the case of a connecting rod, the bundle (F) should be elliptically shaped and positioned in the mold such that the area moment of inertia about a Y-axis (I(c)y) is smaller than the area moment of inertia about an X-axis (I(c)x).
Description
Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a connecting rod for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Bei einer nach der DE-OS 30 30 871 bekannten Pleuelstange dieser Art sind zwei Faserbündel vorgesehen, die in die in Pleuelschwenkrichtung weisenden Seiten der Matrix eingegossen sind und aus der Matrix in Pleuelschwenkrichtung herausragen. Durch ein in der Matrix eingebettetes Rohr mit den genannten Seiten der Matrix zugewandten Öffnungen, an denen die Faserbündel anliegen, sind die beiden Faserbündel miteinander verbunden. Das Flächenträgheitsmoment I x der Querschnitte der beiden Faserbündel ist kleiner als ihr Flächenträgheitsmoment I y .In a connecting rod of this type, known from DE-OS 30 30 871, two fiber bundles are provided which are cast into the sides of the matrix facing in the connecting rod pivoting direction and protrude from the matrix in the connecting rod pivoting direction. The two fiber bundles are connected to one another by a tube embedded in the matrix with openings facing the said sides of the matrix, against which the fiber bundles rest. The area moment of inertia I x of the cross sections of the two fiber bundles is smaller than their area moment of inertia I y .
Bei einer nach der DE-OS 30 29 972 bekannten Pleuelstange besteht der stangenförmige Abschnitt aus zwei aneinanderliegenden Faserbündeln, die auf ihren quer zur Pleuelschwenkrichtung weisenden Seiten mit Matrixmaterial abgedeckt sind. Die in Pleuelschwenkrichtung weisenden Seiten der Faserbündel liegen frei. Die Querschnitte der Faserbündel haben ein Flächenträgheitsmoment I y , das größer ist als ihr Flächenträgheitsmoment I x .In a connecting rod known from DE-OS 30 29 972, the rod-shaped section consists of two adjacent fiber bundles that are covered with matrix material on their sides pointing transversely to the connecting rod pivoting direction. The sides of the fiber bundles pointing in the connecting rod pivoting direction are exposed. The cross sections of the fiber bundles have an area moment of inertia I y that is greater than their area moment of inertia I x .
Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei den bekannten Pleuelstangen der Füllungsgrad der Zwischenräume in den Faserbündeln mit dem Gußmaterial der Leichtmetallmatrix unzureichend war und daß das Matrixmaterial wegen zu rascher Abkühlung während des Gießvorgangs beim Kontakt mit den Faserbündeln zum Kaltverspröden neigte.Experience has shown that in the known connecting rods the degree of filling of the interstices in the fibre bundles with the casting material of the light metal matrix was insufficient and that the matrix material tended to become cold embrittled when in contact with the fibre bundles due to too rapid cooling during the casting process.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Füllungsgrad der Zwischenräume in den Faserbündeln mit dem Gußmaterial der Leichtmetallmatrix zu verbessern und die Neigung zum Kaltverspröden des Matrixmaterials aufgrund von zu rascher Abkühlung während des Gießvorgangs beim Kontakt mit dem Faserbündel zu verringern.The object of the invention is to improve the degree of filling of the interstices in the fiber bundles with the casting material of the light metal matrix and to reduce the tendency for cold embrittlement of the matrix material due to too rapid cooling during the casting process upon contact with the fiber bundle.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben.The solution to this problem is specified in the characterising part of claim 1.
Daß mit der kennzeichnenden Lehre überraschenderweise die Aufgabe gelöst wird, ist durch Vergleichsversuche festgestellt worden.It has been established by comparative tests that the characteristic teaching surprisingly solves the problem.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.Preferred embodiments of the invention are specified in claims 2 and 3.
Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel unter Hinweis auf die Zeichnungen erläutert.The invention is explained below using an embodiment with reference to the drawings.
Fig. 1 zeigt eine Pleuelstange im Längsschnitt. Fig. 1 shows a connecting rod in longitudinal section.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1. Fig. 2 shows a section along the line II-II in Fig. 1.
Die Pleuelstange 10 nach dem Ausführungsbeispiel weist einen stangenförmigen Abschnitt 1 auf, dessen Querschnitte ein Flächenträgheitsmoment I x bezüglich einer in Pleuelschwenkrichtung verlaufenden Symmetrieachse X aufweisen, das größer ist als das Flächenträgheitsmoment I y dieser Querschnitte bezüglich der zur Symmetrieachse X orthogonalen Achse Y, die eine weitere Symmetrieachse Y der Querschnitte ist. ln dem stangenförmigen Abschnitt 1 befindet sich ein diesen stangenförmigen Abschnitt 1 verstärkendes, in Pleuellängsrichtung verlaufendes Faserbündel F, das aus einem inneren Faserbündel F 1 und einem äußeren Faserbündel F 2 zusammengesetzt ist. Die Faserbündel bestehen aus anorganischen Fasern, die von einer Matrix M aus Leichtmetall umgossen sind. Das Flächenträgheitsmoment der Querschnitte des Faserbündels F um die Symmetrieachse X ist größer als das Flächenträgheitsmoment I y um die Symmetrieachse Y. Das Faserbündel F ist allseitig von der Matrix M umgossen.The connecting rod 10 according to the embodiment has a rod-shaped section 1 , the cross sections of which have an area moment of inertia I x with respect to an axis of symmetry X running in the connecting rod pivoting direction, which is greater than the area moment of inertia I y of these cross sections with respect to the axis Y orthogonal to the axis of symmetry X , which is a further axis of symmetry Y of the cross sections. In the rod-shaped section 1 there is a fiber bundle F which reinforces this rod-shaped section 1 and runs in the longitudinal direction of the connecting rod, which is composed of an inner fiber bundle F 1 and an outer fiber bundle F 2. The fiber bundles consist of inorganic fibers which are cast in a matrix M made of light metal. The area moment of inertia of the cross sections of the fiber bundle F about the axis of symmetry X is greater than the area moment of inertia I y about the axis of symmetry Y. The fiber bundle F is cast on all sides by the matrix M.
Das eine Ende des stangenförmigen Abschnitts 1 geht in einen Ring 11 mit einer kreisförmigen Öffnung 13 über. Das andere Ende des stangenförmigen Abschnitts 1 geht in einen Halbring 12 mit einer Halbkreisförmigen Öffnung 14 über. Der Durchmesser des Rings 11 und der Öffnung 13 ist kleiner als der Durchmesser des Halbrings 12 und der Öffnung 14.One end of the rod-shaped section 1 merges into a ring 11 with a circular opening 13. The other end of the rod-shaped section 1 merges into a half-ring 12 with a semi-circular opening 14. The diameter of the ring 11 and the opening 13 is smaller than the diameter of the half-ring 12 and the opening 14 .
Das Bündel F hat einen elliptischen Querschnitt und besteht aus 70000 rostfreien Stahlfasern (des Materials SUS entsprechend den japanischen lndustrienormen (JIS)) mit einem Außendurchmesser von 25 Mikron. Die Fasern sind an den Punkten, an denen sie sich berühren, miteinander verschmolzen. Der Hauptachsendurchmesser der Ellipse beträgt 12 mm, der der Nebenachse 9,2 mm. Das Bündel F ist 136 mm lang. Seine Materialdichte beträgt 3,1 g/cm3. Das theoretische Verhältnis der Querschnittsfläche der individuellen Fasern des Bündels F zu der des tatsächlichen Bündels F beträgt 39,7%.Bundle F has an elliptical cross-section and consists of 70,000 stainless steel fibers (of SUS material conforming to Japanese Industrial Standards (JIS)) with an outer diameter of 25 microns. The fibers are fused together at the points where they touch. The major axis diameter of the ellipse is 12 mm, and that of the minor axis is 9.2 mm. Bundle F is 136 mm long. Its material density is 3.1 g/cm 3 . The theoretical ratio of the cross-sectional area of the individual fibers of bundle F to that of the actual bundle F is 39.7%.
Die Matrix M besteht aus einer Aluminiumlegierung (AC 4 D entsprechend den japanischen Industrienormen). Die minimale Querschnittsfläche A des stangenförmigen Abschnitts 1 der Pleuelstange 10 beträgt 209 mm2. Der Volumenanteil V f des Bündels F in der Querschnittsfläche beträgt 16,4%. Das Flächenträgheitsmoment I y um die Symmetrieachse Y der Pleuelstange 10 beträgt 1700 mm4, und das Flächenträgheitsmoment I x um die Symmetrieachse X beträgt 7630 mm4.The matrix M is made of an aluminum alloy (AC 4 D according to Japanese Industrial Standards). The minimum cross-sectional area A of the rod-shaped section 1 of the connecting rod 10 is 209 mm 2 . The volume fraction V f of the bundle F in the cross-sectional area is 16.4%. The area moment of inertia I y about the axis of symmetry Y of the connecting rod 10 is 1700 mm 4 , and the area moment of inertia I x about the axis of symmetry X is 7630 mm 4 .
Ein im Querschnitt elliptisches Bündel F 1 aus 306000 Aluminium-Fasern mit jeweils 10 Mikron Durchmesser ist von 91000 rostfreien Stahlfasern F 2 (SUS 32 entsprechend den japanischen lndustrienormen) mit jeweils 12 Mikron Durchmesser umgeben. Die rostfreien Stahlfasern sind zumindest teilweise miteinander und mit den Aluminiumfasern, die sie umgeben, verschmolzen.An elliptical cross-section bundle F 1 of 306,000 aluminum fibers each 10 microns in diameter is surrounded by 91,000 stainless steel fibers F 2 (SUS 32 according to Japanese Industrial Standards) each 12 microns in diameter. The stainless steel fibers are at least partially fused to each other and to the aluminum fibers which surround them.
Der elliptische Querschnitt des sich ergebenden Bündels F hat einen Hauptachsendurchmesser von 12 mm und einen Nebenachsendurchmesser von 9,2 mm. Das Gewicht des Bündels F beträgt 19,1 g. Es hat eine Länge über alles von 136 mm. Die kleinste minimale Fläche A im Querschnitt des stangenförmigen Abschnitts 1 der Pleuelstange 10 beträgt 209 mm2. Der Volumenanteil V f in diesem kleinsten Querschnitt des Bündels F beträgt 16,4%; der Volumenanteil der Aluminiumfasern beträgt dabei 11,5% und der Volumenanteil der rostfreien Stahlfasern 4,9%. Das Verhältnis des Volumenanteils von Aluminiumfasern zu dem Volumenanteil von rostfreien Stahlfasern beträgt 7:3.The elliptical cross-section of the resulting bundle F has a major axis diameter of 12 mm and a minor axis diameter of 9.2 mm. The weight of the bundle F is 19.1 g. It has an overall length of 136 mm. The smallest minimum area A in the cross-section of the rod-shaped section 1 of the connecting rod 10 is 209 mm 2 . The volume fraction V f in this smallest cross-section of the bundle F is 16.4%; the volume fraction of the aluminum fibers is 11.5% and the volume fraction of the stainless steel fibers is 4.9%. The ratio of the volume fraction of aluminum fibers to the volume fraction of stainless steel fibers is 7:3.
Das Flächenträgheitsmoment I y um die Symmetrieachse Y beträgt 1700 mm4, und das Flächenträgheitsmoment I x um die Symmetrieachse X beträgt 7630 mm4.The area moment of inertia I y about the axis of symmetry Y is 1700 mm 4 , and the area moment of inertia I x about the axis of symmetry X is 7630 mm 4 .
In dem Beispiel I besteht das Bündel F ausschließlich aus Fasern von rostfreiem Stahl und hat ein Gewicht von 36,5 g.In example I, bundle F consists exclusively of stainless steel fibers and has a weight of 36.5 g.
Das Zweikomponenten-Faserbündel F nach Beispiel II hat ein geringeres Gewicht als das Einkomponenten-Faserbündel F nach Beispiel I.The two-component fiber bundle F according to Example II has a lower weight than the single-component fiber bundle F according to Example I.
Für diese Verbesserungen ist es nicht absolut notwendig, daß die metallischen Fasern F 2 einen Kern F 1 aus lediglich nichtmetallischen Fasern umgeben. Die metallischen Fasern F 2 können auch gleichförmig in das Bündel F 1 von nichtmetallischen, anorganischen Fasern eingemischt sein oder nichtmetallische, anorganische Fasern F 2, die einen metallischen Mantel haben, können auch gleichförmig in ein Bündel F 1 von nichtmetallischen Fasern eingemischt sein.For these improvements it is not absolutely necessary that the metallic fibers F 2 surround a core F 1 of only non-metallic fibers. The metallic fibers F 2 may also be uniformly mixed into the bundle F 1 of non-metallic, inorganic fibers or non-metallic, inorganic fibers F 2 having a metallic sheath may also be uniformly mixed into a bundle F 1 of non-metallic fibers.
Claims (3)
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