DE3243838A1

DE3243838A1 - Verfahren zur herstellung von pleueln sowie ein nach diesem verfahren gefertigtes pleuel

Info

Publication number: DE3243838A1
Application number: DE19823243838
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Huether; Axel Ing Grad Rossmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1982-11-26
Filing date: 1982-11-26
Publication date: 1984-05-30
Anticipated expiration: 2002-11-26
Also published as: DE3243838C2

Description

Verfahren zur Herstellung von Pleueln sowie ein nach die-
sem Verfahren gefertigtes Pleuel Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pleueln sowie ein nach diesem Verfahren gefertigtes Pleuel, insbesondere unter Verwendung eines Faserwerkstoffs.
Pleuel werden üblicherweise als metallische Schmiede-oder Gußstücke hergestellt. Diese können zwar hohe Druck--und Zugkräfte ohne unzulässige elastische Verformungen dauerfest ertragen, weisen jedoch ein großes Gewicht auf.
Pleuel sollten vielmehr als schnelloszillierende Nassen in Kraftmaschinen nach Möglichkeit leicht sein, um die Massenkräfte niedrig zu halten.
Es sind schon Versuche bekannt geworden, bei denen Pleuel aus fasertechnischen Werkstoffen hergestellt wurden. Die Pleuel wurden aus fasertechnischen Werkstoffen gepreßt und/oder gewickelt. Aus Faserwerkstoffen gefertigte Pleuel können zwar hohe Zugkräfte aufnehmen, nicht jednch entsprechende Druckkrafte, die zu einem i#ufsplittern des Faserverbundes führen. Die Lager, gewöhnlich Gleitlager, müssen auf der Kurbelwellenseite teilbar sein, damit eine Montage auf der Kurbelwelle möglich ist. Eine über die gesamte Betriebszeit sichere gleichmäßige Krafteinleitung bei minimaler Verformung der Lagergleitfläche ist dabei unerläßlich. Bei herkömmlich gefertigten Faserwerkstoff-Pleueln ist dies nur erschwert realisierbar.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Pleueln, bei dem das gefertigte Pleuel nicht nur leicht ist, sondern auch hohe Zugkräfte und gleichermaßen hohe Druckkräfte ohne unzulässige elastische Verformungen dauerfest ertragen kann.
Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß der aus Keramik gefertigte Pleuelkern zumindest im Bereich des geteilten kurbelwellenseitigen Lagers mit einer Faserwerkstoff-Bandage verstärkt, insbesondere umwickelt wird. Die Verstärkung bzw. Umwicklung mit der Faserwerkstoff-Bandage erfolgt bevorzugt nach einem Fügen des kurbelwellenseitigen Lagers.
Nicht nur der Bereich des geteilten kurbelwellenseitigen Lagers des Keramik-Pleuelkerns kann mit einer diesbezüglichen Verstärkung oder Umwicklung versehen sein, sondern der gesamte Keramik-Pleuelkern insgesamt, und zwar längs seines Umfangs, wobei das kurbelwellenseitige Lager und das kolbenseitige Lager eingeschlossen sind.
Ein guter Halt ist gegeben, wenn die Verstärkung bzw.
Umwicklung in einer Vertiefung des Pleuelkerns erfolgt.
Schlanke Ausführungsformen von Pleueln können erzielt werden, wenn insbesondere mit Hilfe von Nocken die Faserwerkstoff-Bandage zumindest hinter dem kurbelwellenseitigen Lager zusammengezogen wird.
Bevorzugt findet ein Faserwerkstoff mit einer Wärmedehnung entsprechend der Keramik des Pleuelkerns Verwendung.
Als Faserwerkstoffe werden vorteilhafterweise Glasfaser, Kohlenstoffaser, Borfaser, Stahldraht oder eine organische Faser ausgewählt.
Der Faserwerkstoff wird mit einer Matrix verwendet, die bevorzugt aus Kunststoff, Kohlenstoff oder Metall besteht.
Als Keramik für den Pleuelkern kommen bevorzugt in Frage: Karbide, Nitride, Oxide auf Aluminium- oder Siliziumbasis.
Die Festigkeit wird weiter erhöht, wenn zumindest das kurbelwellenseitige Lager des Keramik-Pleuelkerns mit einem Metallband umwickelt wird, wobei das Metall eine Wärmedehnung entsprechend der Keramik des Pleuelkerns aufweist.
In den Lagern des Keramik-Pleuelkerns werden bevorzugt metallische Lagerbüchsen oder Lagerschalen aus Kunststoff aufgenommen.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigtes Pleuel kennzeichnet sich dadurch, daß ein die Lager umschließender Pleuelkern aus Keramik vorgesehen ist, der zumindest im Bereich des geteilten kurbelwellenseitigen Lagers umfangsmäßig durch eine Bandage verstärkt bzw. umwickelt ist. Die Bandage ist vorteilhaft ein Faserwerkstoff entsprechend den vorgenannten Materialien, wobei auch eine Matrix aus Kunststoff, Kohlenstoff oder Metall ausgebildet sein kann.
Zusätzlich kann ein Metallband zumindest beim kurbelwellenseitigen Lager umfangsmäßig am Pleuel vorgesehen sein.
Die Verstärkungsbandage sitzt vorteilhafterweise in einer Umfangsvertiefung des keramischen Pleuelkerns.
Im Keramik-Pleuelkern können Lagerschalen aus Metall oder Kunststoff eingelassen sein.
Die Bandage für den Pleuelkern ist bevorzugt zumindest hinter dem kurbelwellenseitigen Lager zusammengezogen, um eine schlanke Ausführungsform zu schaffen.
Durch die Erfindung lassen sich mithin die Probleme des teilbaren Lagers und der Zugbelastung durch Verwendung von Wicklungen aus Faserwerkstoffen auf einen Pleuelkern aus Keramik beseitigen. Es wird ein Pleuel bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines Pleuels vorgeschlagen, bei dem die hohe spezifische Zugfestigkeit der Faserwerkstoffe mit der hohen Druckfestigkeit von Keramiken optimal kombiniert wird. Pleuel aus Keramik weisen ein geringes Gewicht auf, haben für sich allein jedoch den Nachteil der geringen spezifischen Zugfestigkeit (vier- bis zehnmal geringer als bei Druck). Dieser Nachteil der geringen spezifischen Zugfestigkeit der Keramik wird durch die Anwendung des Faserwerkstoffs ausgeglichen, der hohe Zugkräfte dauerfest aufnehmen kann. Gleichermaßen wird der Nachteil des Faserwerkstoffs, die geringe Druckfestigkeit, durch Anwendung eines Keramikkerns ausgeglichen, der hohe Druckkräfte dauerfest ertragen kann.
Im Prinzip handelt es sich bei der Erfindung um einen Keramikkern, der die Lagerungen aufnimmt und der nach Fügen des kurbelwellenseitigen Lagerauges auf der Kurbelwelle mit einer geeigneten Faserwerkstoff-Bandage verstärkt bzw. umwickelt wird. Die Lagerungen können sowohl übliche metallische Lagerbüchsen bzw. Lagerschalen aufnehmen, es ist jedoch auch möglich, die guten Gleiteigenschaften der Keramik so zu nutzen, daß diese gleich selbst die Gleitflächen bildet. Insgesamt ergibt sich bei der Erfindung ein leichtgewichtiges Pleuel mit optimaler Zug- und Druckkraftgestaltung und optimalem Gleitverhalten bei keramischen Laufflächen, wie auch geringe elastische Verformung unfolge des hohen E-Moduls und der geringen Wärmedehnungxder Keramik auftreten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 ein erfindungsgemäß gefertigtes Pleuel in einer Seiten- und in einer Schnittansicht, Fig.1a einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Pleuel anderer Ausgestaltung, Fig. 2 ein anderes Pleuel der Erfindung in einer Seiten-und in einer Schnittansicht, und Fig 3 ein anderes erfindungsgemäßes Pleuel im Schnitt.
Das in Fig. 1 gezeigte Pleuel 1 besitzt ein kurbelwellenseitiges Lager 3 und ein kolbenseitiges Lager 4. Beide Lager 3,4 befinden sich in einem Pleuelkern 2 aus Keramik, wobei das kurbelwellenseitige Lager 3 für eine Montage auf der Kurbelwelle 2-geteilt ist. Der Pleuelkern 2 besteht gemäß Ausführungsbeispiel aus einem Karbid mit guten Gleiteigenschaften der Lager 3,4.
Der keramische Pleuelkern 2 ist unter Einschließung beider Lager 3,4 umfangsmäßig fest durch eine Faserwerkstoff-Bandage 10 umwickelt. Die Bandage 10 ist als ein geschlossenes Band ausgebildet, steht in einem Preßsitz mit der Keramik und übt bevorzugt eine Vorspannkraft auf die Keramik aus. Dadurch wird ein fester Halt und große Stabilität eines Pleuels trotz zweigeteilten kurbelwellenseitigen Lager 3 geschaffen: die Keramik nimmt Druck-, die Faserwerkstoff-Bandage 10 Zugkräfte auf, die insbesondere bei höheren Drehzahlen auftreten. Als Faserwerkstoff verwendet das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine Glasfaser mit einer Kunststoffmatrix.
Im kurbelwellenseitigen Lager 3 sowie im kolbenseitigen Lager 4 können metallische Lagerbüchsen oder geteilte Kunststoff-Lagerschalen aufgenommen sein (nicht veranschaulicht).
Das in Fig. la geseigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pleuels 1 besitzt eine Faserwerkstoff-Bandage 10, die umfangsmäßig in einer Vertiefung 5 des keramischen Pleuelkerns 2 eingelassen ist. Dadurch ergibt sich ein sicherer Halt einer Bandage 10 in Axialrichtung der Lager 3,4,auch wenn die Bandage 10 nicht unter Vorspannung auf den keramischen Pleuelkern 2 aufgezogen ist, was die Herstellung vereinfacht.
Das in Fig. 2 veranschaulichte Ausführungsbeispiel kennzeichnet sich durch zwei Verstärkungsbandagen 10 lediglich im Bereich des kurbelwellenseitigen Lagers 3, das zweigeteilt ist. Beide Verstärkungsbandagen 10 sind in Form geschlossener Bänder umfangsmäßig um das Kurbelwellenlager In einem Preßsitz zum Keramikkern angeordnet. Die Verstärkungsbandagen 10 können aus Faserwerkstoffen bestehen, die zusätzlich mit einer Bandwicklung aus einem Metall versehen sind (nicht gezeigt). Die Wärmedehnung der Faserwerkstoffe (und des Metalls) stimmt mit der Wärmedehnung der Keramik überein. Ein derartig gefertigtes Pleuel ist besonders leicht, gleichwohl aber verstärkt im Bereich des kurbelwellenseitigen Lagers 3.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 eines erfindungsgemäßen Pleuels 1 sieht schließlich eine Faserwerkstoff-Bandage 10 vor, die vollständig (wie im erstgenannten Ausführungsbeispiel) um den keramischen Pleuelkern 2 umwickelt ist. Die Bandage 10 ist im Gegensatz zum erstgenannten Beispiel jedoch hinter dem kurbelwellenseitigen Lager 3 "zusammengezogen", um eine schlanke Ausführungsform zu schaffen. Das Zusammenziehen der Faserwerkstoff-Bandage 10 erfolgt mit Hilfe von Nocken, die auf der Keramik hinter d er: deid kurbelwellenseitigen Lager ausgebildet sind.
ähnliche Nocken können im Bereich des kolbenseitigen Lagers 4 vorgesehen sein, um auch dort eine eng am keramischen Pleuelkern 2 anliegende Baserwerkstoff-Bandage 10 hervorzurufen.
Leerseite

Claims

Patentan snriiche Verfahren zur Herstellung von Pleueln, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der aus Keramik gefertigte Pleuelkern (2) zumindest im Bereich des geteilten kurbelwellenseitigen Lagers (3) mit einer Faserwerkstoff-Bandage (10) verstärkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der aus Keramik gefertigte Pleuelkern (2) zumindest im Bereich des geteilten kurbelwellenseitigen Lagers (3) mit einer Faserwerkstoff-Bandage (10) umwickelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß der Keramik-Pleuelkern (2) nach Fügen des kurbelwellenseitigen Lagers (3) mit der Faserwerkstoff-Bandage (10) verstärkt bzw. umwickelt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der gesamte Keramik-Pleuelkern (2) umfangsmäßig mit der Faserwerkstoff-Bandage (10) umwickelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der gesamte Keramik-Pleuelkern (2) umfangsmäßig mit der Faserwerkstoff-Bandage (10) in einer Vertiefung des Pleuelkerns (2) umwickelt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch g ek e n n z e i c h n e t , daß mit Hilfe von Nocken die Faserwerkstoff-Bandage (10) zumindest hinter dem kurbelwellenseitigen Lager (3) zusammengezogen wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein Faserwerkstoff mit einer Wärmedehnung entsprechend der Keramik des Pleuelkerns (2) verwendet wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß als Faserwerkstoff Glasfaser, C-Faser, Borfaser, Stahldraht oder eine organische Faser verwendet wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Fa;serwerkstoff mit einer Matrix aus Kunststoff, Kohlenstoff oder Metall verwendet wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß als Keramik für den Pleuelkcrn (2) ein Karbid, Nitrid oder ein Oxid auf Aluminium- oder Siliziumbasis verwendet wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch g ek e n n z e i c h n e t , daß zumindest das kurbelwellenseitige Lager (3) des Keramik-Pleuelkerns (2) mit einem Metallband umwickelt wird, wobei das Metall eine Wärmedehnung entsprechend der Keramik des Pleuelkerns (2) aufweist.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß in den Lagern (3,4) des Keramik-Pleuelkerns (2) metallische Lagerbüchsen oder Lagerbüchsen aus Kunststoff aufgenommen werden.
13. Pleuel, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein die Lager (3,4) umschließender Pleuelkern (2) aus Keramik vorgesehen ist, der zumindest im Bereich des geteilten kurbelwellenseitigen Lagers (3) umfangsmaßig durch eine Bandage (10) verstärkt bzw. umwickelt ist.
14. Pleuel nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Bandage (10) im wesentlichen aus Faser werkstoff besteht.
15. Pleuel nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß als Faserwerkstoff Glasfaser, 0faser, Borfaser, Stahldraht oder eine organische Faser vorgesehen ist, wobei der Faserwerkstoff eine Matrix aus Kunststoff, Kohlenstoff oder Metall aufweist.
16. Pleuel nach den Ansprüchen 13 bis 15, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Bandage (10) ein Metallband umfaßt.
17. Pleuel nach den Ansprüchen 13 bis 16, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Bandage (10) in einer Umfangsvertiefung (5) des Pleuelkerns (2) eingelassen ist.
18. Pleuel nach den Ansprüchen 13 bis 17, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß Lagerschalen aus Metall oder Kunststoff vorgesehen sind.
19. Pleuel nach den Ansprüchen 13 bis 18, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Bandage (10) zumindest hinter dem kurbelwellenseitigen Lager (3) zusammengezogen ist.
20. Pleuel nach den Ansprüchen 13 bis 19, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß als Keramik für den Pleuelkern (2) ein Karbid, Nitrid oder ein Oxid auf Aluminium- oder Siliziumbasis vorgesehen ist.