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Verfahren zur Herstellung von Pleuelstangen,
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insbesondere für Brennkraftmaschinen
Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Pleuelstangen, insbesondere
für Brennkraftmaschinen, bevorzugt auf ein Verfahren zur Herstellung von Pleuelstangen,
die jeweils ein Bündel von unidirektionalen anorganischen Fasern haben, das in eine
Leichtmetallegierung in einem länglichen mittleren Abschnitt der Pleuelstange eingebettet
ist und darin mit der Leichtmetallegierung eine Matrix oder ein Formteil bildet.
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Eine auf diese Weise faserverstärkte Pleuelstange, die in Fig. 3 u.
Fig. 4 gezeigt ist, wurde bereits vorgeschlagen.
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Sie enthält einen kleinen ringförmigen Endabschnitt S, einen großen
ringförmigen Endabschnitt B und einen stangenförmigen Abschnitt R, der den kleinen
ringförmigen Endabschnitt mit dem großen ringförmigen Endabschnitt verbindet.
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Der stangenförmige Abschnitt R -der Pleuelstange hat einen Kern, der
aus einem Bündel von unidirektionalen anorganischen Fasern besteht, welche Fasern
in einen Leichtmetallegierung eingebettet sind und mit dieser zu einer Matrix oder
einem Formteil kombiniert sind, und einen Einkomponenten-Formteilabschnitt, der
außerhalb des Kern ausgebildet ist. Für den kleinen Endabschnitt wird angenommen,
daß er eine Mittelachse hat. Gemäß der Querschnittsansicht des stangenförmigen Abschnitts
R in Fig. 4 enthält der Einkomponenten-Formteilabschnitt ein Paar von rechteckigen
Abschnitten M1, die längs der Mittelachse des kleinen Endabschnitts in einer Weise
ausgebildet sind, daß der Kern aus Fasern und Legierung zwischen diesen genannten
Abschnitten aufgenommen wird, und ein Paar von bogenförmigen Abschnitten M2, die
zwischen den rechtreckigen Abschnitten M1 ausgbildet sind und- ebenfalls den Kern
aus Fasern und Legierung zwischen sich aufnehmen. Zwischen den rechteckigen Abschnitten
und den bogenförmigen Abschnitten sind Einbuchtungen ausgebildet. Die Konzentration
der Blastungskräfte ist an den Einbuchtungen höher, und deshalb wird ein Faktor
der Konzentration der Beanspruchungskräfte relativ erhöht. Der
Einkomponenten-Formteilabschnitt
ist durch Druckgießen hergestellt, und deshalb ist die Festigkeit des stangenförmigen
Abschnitts höher als bei anderen allgemein üblichen Gußteilen. Es wurde indessen
bei der Durchführung eines Ermüdungsversuches herausgefunden, daß der Einkomponenten-Formteilabschnitt
die Neigung zeigt, den Beginn eines Ermüdungsbruches aufzuweisen. Der Bruchri ß
erstreckte sich über den gesamten Einkomponenten-Formteilabschnitt, wobei er den
Kern des Bündels von Fasern umgab. Schließlich verursachte dies einen vorzeitigen
Ermüdungsbruch. Es wurde ferner herausgefunden, daß dann, wenn ein derartiger Einkomponenten-Formteilabschnitt
einen Mangel vom Gießen her aufwies, beispielsweise eine Einmischung von oxidierter
Substanz, einen Lunker usw., die Ermüdungsfestigkeit Veränderungen ausgesetzt war.
Als Ergebnis konnte die Lebensdauer des Einkomponenten-Formteilabschnitts nicht
konstant gehalten oder vorherbestimmt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung von Pleuelstangen, die jeweils einen faserverstärkten Abschnitt
haben, für Brennkraftmaschinen zu schaffen, die das Entstehen eines Ermüdungsfehlers
verhindern können. Eine weitere Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht darin,
ein Verfahren zur Herstellung von Pleuelstangen, die eine hohe Dauerfestigkeit haben
und eine zuverlässige, vorherbestimmbare Lebensdauer aufweisen, zu schaffen.
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Gemäß der vorliegende Erfindung enthält das Verfahren zur Herstellung
der Pleuelstangen, die einen faserverstärkten Abschnitt haben, zur Lösung der zuvor
genannten Aufgaben-Schritte zum Ausbilden eines Bündels von unidirektionalen anorganischen
Fasern, zum Anordnen des Bündels von Fasern in einer Gußform zum Druckgießen einer
geschmolzenen Leichtmetallegierung in die Gußform, wobei eine Matrix oder ein Formteil
aus der Legierung und dem Bündel gebildet wird, und zum Nachberarbeiten eines stangenförmigen
Abschnitts
der Pleuelstange, die durch Druckgießen erhalten wird,
zum Ausbilden einer vorbestimmten Form.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Pleuelstange erhalten,
die ein Bündel von unidirektionalen anorganischen Fasern, welche von einer Legierung
umgeben werden und mit dieser zu einer Matrix kombiniert werden, und eine ringförmige
Einkomponenten-Matrixschicht, de das Bündel umgibt und eine ausreichende vorbestimmte
Nachbearbeitungs-Zugabestärke zur Verfügung stellt, enthält. Die ausreichende vorbestimmte
Nachbearbeitungs-Zugabestärke ist zusätzlich zu einem Zwischenraum zwischen dem
Bündel und der Wand des Hohlraums der Gußform gegeben. Dies erlaubt einen gleichförmigen
Fluß der geschmolzenen Leichmetallegierung in der Gußform. Di-e Neigung zu Kalteinschüssen
wird dadurch reduziert, und der Füllungsgrad des geschmolzenen Metalls in dem Bündel
von unidirektionalen anorganischen Fasern wird verbessert. Das Druckgießen enthält
die Schritte der Ausübung eines hydrostatischen hohen Druckes von 500 - 2000 kg/cm2
auf eine geschmolzene Leichtmetallegierung, die in die Form gedrückt wird, und das
Verfestigen des geschmolzenen Metalls unter einem derart hohen Druck.
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Ein Teil oder die Gesamtheit der ringförmigen Einkomponenten-Matrixschicht
wird danach nachbearbeitet, so daß der Abschnitt, in dem eine Neigung zum Beginnen
eines Ermüdungsrisses besteht, oder wo irgendein anderer mangelhafter Abschnitt
aufgrund des Gießvorganges verkleinert bzw. beseitigt wird. Es wäre wünschenswert,
jedwede Möglichkeit des Beginnens eines Ermüdungsbruchs durch maschinelles Abtragen
der gesamten ringfömigen Einkomponenten-Matrixschicht - wodurch das Kernbündel von
unidirektionalen anorganischen Fasern freigelegt würde - zu beseitigen. Dies würde
indessen nicht nur zu einer Schwierigkeit bei der Nachbearbeitung und zu einer flächenmäßigen
Trennung der Verstärkungsfasern führen, sondern außerdem in einer Erniedrigung der
Festigkeit des stangenförmigen Abschnitts resultieren. Deshalb wird die ringförmige
Einkomponenten-Matrixschicht
grundsätzlich nur teilweise abgetragen.
Darüber hinaus wird eine Pleuelstange, die einen kreisförmigen oder elipsenförmagen
Querschnitt des Stangenabschnitts hat, leicht durch Nachbearbeiten der ringförmigen
Einkomponenten-Matrixschicht erhalten. Auf diese Weise kann der Faktor der Konzentration
der Beanspruchungskräfte fUr die ringförmige Matrixschicht verringert werden, und
es kann außerdem die Dauerfestigkeit merklich verbessert werden.
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Sowohl die zuvor genannten Aufgaben, weitere Aufgaben als auch das
spezielle Verfahren zur Herstellung der faserverstärkten Pleuelstangen gemäß der
vorliegenden Erfindung werden aus der im folgenden im einzelnen für ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung gegebenen Beschreibung ersichtlich.
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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Pleuelstange,
die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
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Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht längs einer Linie II - II in
Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Pleuelstange,
die gemäß einem bereits früher vorgeschla-genen Verfahren hergestellt ist.
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Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht längs eine Linie IV - IV in
Fig. 3.
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1. Eine Pleuelstange, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt
ist, ist in Fig. 1 u. Fig. 2 gezeigt. Die Herstellung erfolgt wie im folgenden angegeben:
Ein Bündel von 65 000 rostfreien Stahl fasern (SUS 33 entsprechend den Japanischen
Industrienormen (JIS)), die jeweils einen Außendurchmesser von 25 Mikron haben,
wurde
vorbereitet und in ein hitzbeständiges Rohr eingeführt. Das
Rohr könnte beispielsweise aus Quarzglas hergestellt sein.
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Die Form des Querschnitts des Rohres ist ein Kreis. Das Bündel von
rostfreien Stahlfasern wurde auf 700 0C für eine Dauer von 10 min erhitzt. Auf diese
Weise werden die rostfreien Stahl fasern teilweise miteinander verschweißt. Das
bedeutet, daß sie an den Punkten, wo die verschiedenen Fasern einander berühren,
miteinander verschmolzen oder verschweißt werden. Der Durchmesser des runden Querschnitts
betrug 11 mm. Das Bündel war 128 mm lang. Das Füllungsge-3 wicht betrug 2.62 g/cm
Eine Form zum Ausbilden der Pleuelstange wurde vorbereitet, die einen ersten Gießkern
zum Ausbilden des ringförmagen Endabschnittes mit kleinem Durchmesser und einen
zweiten Gießkern zum Ausbilden des ringförmigen Endabschnittes mit großem Durchmesser
hat. Das unidirektionale Bündel anorganischer Fasern, das zuvor vorbereitet wurde,
wurde in die zuvor vorbereiteten konkaven Abschnitte der Form zwischen den Gießkernen
als eine Brücke eingelegt.
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Unter Verwendung einer Aluminiumlegierung (AC4D entsprechend den Japanischen
Industrienormen (JIS)) als Matrixmetall m wurde die geschmolzene Metallegierung
i-n das unidirektionale Bündel von anorganischen Fasern unter Druck eingefüllt bzw.
gegossen, um die Pleuelstange zu erzeugen, welche eine vorbestimmte Zugabestärke
zur Nachbearbeitung aufweiset.
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Danach wurde der stangenförmige Abschnitt der Pleuelst-ange nachberarbeitet,
und es wurde die Pleuelstange gewonnen, die den stangenförmigen Abschnitt R mit
einem kreisförmigen Querschnitt (Fig. 2) hat.
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Der stangenförmige Abschnitt R dieser Kurbel stange ist so beschaffen,
daß sein Zentrum durch das unidirektionale Bündel anorganischer Fasern, die längs
der Längsachse des stan-
genförmigen Abschnitts ausgerichtet sind,
besetzt ist und durch diesen verstärkt wird, wobei das Bündel anorganischer Fasern,
das eingegossen wird, mit der Leichtmetallegierung eine enge Verbindung eingeht.
Die sich ergebende Leichtmetall-Legierungsmatrix weist eine vorbestimmte Bearbeitungs-Zugabestärke
um den Kern herum auf. Die im folgenden dargestellte Tabelle I zeigt die Merkmale
des Stangenabschnitts vor und nach der Nachbearbeitung: Tabelle I stangenförmiger
stangenförmiger Abschnitt vor Abschnitt nach der Nachbear- der Nachbearbeitung beitung
Durchmesser 20.5 mm 16.5 mm (a in Fig. 2) (b in Fig. 2) Querschnittsfläche 329.9
mm2 213.7 mm2 Volumenanteil Vf 14.9% dieses Bündels Zwischenraum zwischen 4.75 mm
der Wand des (c in Fig. 2) Formhohl raumes und dem Faserbündel vor dem Gießen abzutragende
Stärke 2 mm (d in Fig. 2)
2. In Fig. 3 u. Fig. 4 ist eine Kurbel
stange gezeigt, die nach einem früher vorgeschlagenen Verfahren hergestellt ist.
Das früher vorgeschlagene, bekannte Verfahren wird im folgenden erläutert: Es wurde
ein Bündel von 65 000 rostfreien Stahl fasern.
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(SUS 33 entsprechend den Japanischen Industrienormen (JIS)), wovon
jede einen Außendurchmesser von 25 Mikron hat, vorbereitet und in ein hitzebeständiges
Rohr eingeführt. Dieses Rohr konnte beispielsweise nicht aus Quarzglas hergestellt
Werden. Die Form des Querschnitts des Rohres war ein Kreis. Das Bündel rostfreier
Stahlfasern wurde auf 7000 C für eine Zeit von 10 min erhitzt. Auf diese Weise werden
die rostfreien Fasern teilweise miteinander verschmolzen. Das bedeutet, daß jeweils
an dem Punkt, wo sich verschiedene Fasern miteinander berühren, diese miteinander
verschmolzen oder verschweißt werden. Die Tempe-ratur von etwa 7000 C ist kriti-sch,
da für den Fall, daß die Fasern auf eine höhere Temperatur erhitzt werden, diese
ihre Festigkeit verlieren. Der Durchmesser des runden Querschnitts betrug 9.5 mm.
Das Bündel war 128 mm lang. Das Füllungsgewicht betrug 3.5 g/cm3.
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Es wurde eine Form vorbereitet, die einen Gießkern zum Ausbilden des
ringförmigen Endabschnitts mit kleinem Durchmesser und ein Gießkern zum Ausbilden
des halbringförmigen Abschnittes aufweist.
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Das unidirektionale Bündel der anorganischen Fasern, das zuvor vorbereitet
wurde, wurde in zuvor vorbereiteten konkaven Abschnitten der Form zwischen den Gießkernen
als eine Brücke eingelegt.
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Unter Verwendung einer Aluminiumlegierung (AC4D entsprechend den Japanischen
Indurstrienormen (JIS)) als Matrix wurde die Legierung in das unidirektionale Bündel
von anorganischen Fasern eingefüllt und unter Druck gegossen, um
die
Pleuelstange zu erzeugen. Folgend auf den Gießvorgang wurden beide Seitenoberflächen
der Pleuelstange nachbearbeitet, um das Material k zu entfernen, wie dies in Fig.
4 gezeigt ist. Das Nachbearbeiten wurde ausgeführt, um sicherzustellen, daß die
Oberflächen des halbringförmigen Endabschnitts mit großem Durchmesser und des ringförmigen
Endabschnitts mit kleinem Durchmesser parallel zueinander und senkrecht zu den Achsen
der Öffnungen standen.
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Die im folgenden dargestellte Tabelle II zeigt die Merkmale und die
Materialstärken nach der Nachbearbeitung der Endabschnitte: Tabelle II vor Nachbearbeitung
nach Nachbearbeitung Breite e oder g 33.8 mm 21.8 mm (gezeigt für die (e in Fig.
4) (g in Fig. 4) Pleuelstange in Fig. 4) Querschnittsfläche 331.7 mm2 218.9 mm2
des stangenförmigen Abschnittes Volumenanteil Vf 14.6% von Glasfasern in dem stangenförmagen
Abschnitt Zwischenraum zwischen der Wand 2 mm des Gußhohlraumes und (h in Fig. 4
dem Faserbündel vor dem Gießen abzutragende Stärke 6 mm für die Nachbearbeitung
(k in Fig. 4)
Aus einem Vergleich der oben dargestellten Tabellen
1 und II ist leicht ersichtlich, daß der Zwischenraum zwischen dem erfindungsgemäß
vorgesehenen unidirektionalen Bündel von anorganischen Fasern und der Seitenwand
des Hohlraums der Gußform breiter als bei dem zuvor vorgeschlagenen Verfahren ist.
Daher wird die Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls verbessert, was die Neigung
zu Kalteinschüssen verringert. Außerdem sind die Füllungs- und Vermischungs- oder
Verbindungsergebnisse der Matrix sehr gut.
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Ein Konzentrationsfaktor für die Belastungskräfte, die durchschnittliche
Dauerfestigkeit bei Raumtemperatur und eine Standardabweichung der Dauerfestigkeit
bei Raumtemperatur zwischen der Pleuelstange gemäß der vorliegenden Erfindung und
der Pleuelstange gemäß einem der zuvor vorgeschlagenen Verfahren sind in der folgenden
Tabelle III gezeigt: Tabelle III vorliegende Erfindung zuvor vorgeschlagenes Verfahren
Konzentrationsfaktor 1.0 1.35 für die Belastungskräfte kg/mm2 11 2 Durchnittswert
der 15.1 kg/mm2 11.2 kg/mm2 Dau-erfestigkeit Standardabweichung 1.1 kg/mm2 1.5 kg/mm2
der Dauerfesti gkei t Aus Tabelle III ist ersichtlich, daß der Konzentrationsfaktor
für die Belastungskräfte gemäß der vorliegenden Erfin-
dung (1.0)
ist. Dieser Wert bedeutet, daß die Querschnittsfläche des stangenförmigen Abschnitts
eine Kreisform hat und deshalb ein Konzentrationsbereich für Belastungskräfte nicht
vorhanden ist.
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Daher wurde die Durchschnitts-Dauerfestigkeit erhöht, und deren Standardabweichung
wurde verbessert. Dies bedeutet, daß die Zuverlässigkeit der Kurbel stange höher
wurde.
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Bei der vorliegenden Erfindung hat das zweckmäßige Vorsehen der vorbestimmten
Nachbearbeitungs-Zugabestärke um den stangenförmigen Abschnitt herum den Vorteil,
daß ein größerer Zwischenraum in der Form benutzt wird. Dies erlaubt dem geschmolzenen
Metall, gleichförmig zwischen der Wand des Formhohlraums und dem unidirektionalen
Bündel anorganischer Fasern zu fließen. Die Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls
ist hoch, und es werden Kalteinschüsse verhindert.
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Das geschmolzene Metall wird gleichförmig in das Bündel der unidirektionalen
Fasern eingefüllt.
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Es ist möglich, die Probleme der Mängel beim Gießen und des Beginnen
von Ermüdungsrissen durch Nachbearbeiten der Oberfläche der Leichtmetallegierungs-Matrixschicht
zu eliminieren oder zumindest starkt zu verringern. Auf diese Weise wird die Dauerfestigkeit
erhöht, und es wird möglich, die Lebensdauer der Pleuelstange vorherzubestimmen.
Es wird dadurch eine in hohem Maße zuverlässige Pleuelstange hergestellt.
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Es ist ersichtlich, daß durch das zuvor beschriebene Verfahren zur
Herstellung von Pleuelstangen alle der Aufgaben, die zuvor genannt wurden, erfüllt
werden und daß dieses Verfahren außerdem den Vorteil einer- breiten kommerziellen
Anwendungsmöglichkeit bietet. Es ist ferner ersichtlich, daß die spezielle Form
der Erfindung, die beschrieben wurde, nur beispielhaft zu verstehen ist und daß
bestimmte Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs für die technische Lehre, der
durch die Patentansprüche bestimmt ist, für den Fachmann nahegelegt sind.
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