DE3317046A1

DE3317046A1 - Pleuelstange und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3317046A1
Application number: DE19833317046
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl.-Chem. Dr. 7050 Waiblingen Aichele; Peter Dipl.-Ing. Dr. 7000 Stuttgart Baur; Andreas Dipl.-Ing.(FH) 7140 Ludwigsburg Bollmann; Gerold 7050 Waiblingen Kohlberger; André 7056 Weinstadt Konz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-05-10
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1984-11-15

Description

Pleuelstange und Verfahren zu ihrer Herstellung
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Pleuelstange nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 29 51 112 sind bereits Pleuelstangen bekannt, die mit Ausnahme der Lagerbuchsen aus faserverstärkten Kunststoffen bestehen und die einen um die Buchsen herumlaufenden äußeren Gurt sowie einen Kern aufweisen, Jedoch besteht der Gurt aus mehreren Strängen mit dazwischen angeordneten Lagerplatten, die bereits zum Kern der Pleuelstange gehören, der seinerseits zwischen den Lagerplatten noch Druckstücke aufweist.
Die genannten Platten bestehen aus kreuzweise unter einem Winkel von f 45 zur Längsachse der Pleuelstange aufeinandergelegten harzgebundenen Faserlagen. Es ist ersichtlich, daß der Aufbau dieser Pleuelstange recht kompliziert ist und daß demzufolge auch die Herstellung einer solchen Pleuelstange aufwendig ist. Auch ist der Faserwinkel von vorzugsweise + 450 zwar geeignet zur Aufnahme der durch die Buchsen unter Druckbeanspruchung in den Kern eingeleiteten Scherkräfte, jedoch ungünstig für die Drucksteifigkeit und Festigkeit des Kernes. Ein im Verhältnis zum Gurt weicher Kern führt aber zu einem Spiel der Buchsen zwischen Gurt und Kern im Betrieb.
Es ist weiter ein Pleuel aus Faserverbundwerkstoffen bekanntgeworden, bei dem der Kern offensichtlich spanend aus einem Kohlefaser-Gewebelaminat hergestellt wird. Die Fasern verlaufen in den Richtungen 0° und 900 zur Pleuelachse, Zur Aufnahme der Scherkräfte, welche durch die Buchsen in den Kern eingeleitet werden, sind zwischen den Stahlbuchsen und dem Kern weitere schalenförmige Zwischenstücke aus Faserverbundwerkstoff eingeklebt. Der Gurt ist einteilig und besteht aus harzgetränkten Kohlefasern, Beide beschriebene Ausführungen enthalten mehrteilige Kerne und berücksichtigen nicht die stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Stahl-Buchsen (bzw. dem Stahl-Kolbenbolzen und dem Kurbelwellenzapfen) und dem Faserverbundwerkstoff. Dies führt entweder bei hohen Betriebstemperaturen zu einem Aufweiten des Gurts im Schlaufenbereich und damit zum Ablösen des Gurts vom Kern oder bei niedrigen Betriebstemperaturen zum Ablösen der Buchsen von Gurt und Kern. Lose Hülsen drehen sich im Betrieb im Faserverbundwerkstoff-Pleuel.
Damit wird. durch Eiejbverschleiß des Faserverbundwerkstoffes das gegenseitige Spiel so lange größer, bis der Kern schließlich durch die Schlagbeanspruchung zerstört wird.
Es sind daher weitere Maßnahmen notwendig, um entweder Gurt und Kern kräftemäßig zu entkoppeln oder um die buchsenseitig in der Verklebung von Gurt und Kern unter Belastung auftretenden Schubspannungsspitzen abzubauen, da sich sonst Gurt und Kern voneinander ablösen und durch gegenseitigen Abrieb ein Spiel entsteht, welches wiederum eine weitere Zerstörung des Faserverbundwerkstoffes einleitet. Dieser Vorgang wird anschaulich, wenn man bedenkt, daß die von den Pleuellagern in das Pleuel eingeleiteten Kräfte meist nicht in Richtung der Pleuelachse wirken.
Derartige Maßnahmen sind jedoch bei den seither bekannten Ausführungen nicht ersichtlich.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Pleuelstange mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie einen einfacheren Aufbau aus weniger Einzelelementen aufweist und daß die Faserrichtungen im Kernstück besser den auftretenden Belastungen angepaßt sind, wie im Anspruch 1 angegeben ist. Weiterhin wird bei dem Verfahren nach Anspruch 4 eine weitgehend voneinander unabhängige Verformung von Gurt und Kern unter den im Betrieb auftretenden Kräften oder eine kraftschlüssige Verbindung von Gurt und Kern bei dem Verfahren nach Anspruch 5 unter Abbau der unter Belastung buchsenseitig zwischen beiden Strukturen auftretenden Schubspannungsspitzen ermöglicht.
Da die Pleuelstange innerhalb eines großen Temperaturbereiches betrieben wird, entsteht aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahlbuchse und Faserverbundwerkstoff entweder eine gegenseitige radial um die Buchsen wirkende Preßkraft oder ein mechanisches Spiel zwischen beiden Strukturteilen. Deshalb werden die Anhärtebedingungen von Harz bzw. Kleber derart gewählt, daß bei der unteren Betriebstemperatur sich ein möglichst geringes Spiel und bei der maximalen Betriebstemperatur eine noch zulässige Preßkraft ausbilden. Weiterhin wird durch einen Formschluß zwischen Buchsen und Reststruktur verhindert, daß die Buchsen mit den Lagern im Faserverbundwerkstoff rotieren können.
Der einfachere Aufbau führt auch zu einfacheren und damit wirtschaftlicheren Herstellungsverfahren, wie sie in den Ansprüchen 3, 6, 7 und 8 angegeben sind, wobei mit diesen Herstellungsverfahren Pleuelstangen noch wirtschaftlicher herstellbar sind, wenn das Pleuel relativ geringen Druckkräften unterworfen ist, wie dies bei hochtourig laufenden Motoren der Fall ist.
Besonders vorteilhaft ist die Herstellung einer Pleuelstange dadurch, daß man aus einem Laminat mit geeigneter Faserorientierung entsprechend geformte Kernstücke spanend herausarbeitet oder aus einer geeigneten Preß- bzw. Spritzgießmasse Kernstücke mit der fertigen Kontur herstellt, diese an allen Kanten mit einem geeigneten Klebstoff bestreicht, sie mit den Buchsen fügt und harzgetränkte Glas-oder Kohlefaser-Rovings um den Kern und die beiden bei einer Pleuelstange vorgesehenen Buchsen wickelt und Harz und Kleber zusammen eventuell in mehreren Temperaturstufen aushärtet. Eine weitere Variante besteht darin, daß man harzgetränkte Glas- oder Kohlefaser-Rovings um die beiden Buchsen wickelt, diesen Vorformling in eine entsprechende Form einlegt und daß man dann vorgefertigte, den Kern bildende Faser-Prepregs in die gleiche Form einlegt oder faserverstärkte Preßmasse in die Form einspritzt und anschließend das Ganze unter Druck aushärten läßt.
Es ist jedoch auch möglich, die harzgetränkten Glas- oder Kohlefaser-Rovings um die beiden Buchsen und einen wiederentformbaren Stützkern zu wickeln, diesen Vorformling drucklos oder in einer Preßform unter Druck in der Wärme auszuhärten und anschließend diesen Gurt - falls notwendig - auf seiner Innenseite mit einem geeigneten Klebstoff zu bestreichen, in eine entsprechende Preßform einzulegen, die den Kern bildenden Faser-Prepregs in die gleiche Form einzulegen oder faserverstärkte Preßmasse in die Form einzuspritzen und dann diesen Kern unter Druck und Wärme auszuhärten.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch eine Seitenansicht, Figur 2 eine Draufsicht auf eine Pleuelstange und Figur 3 zwei Beispiele von formschlüssig gestalteten Buchsen, wobei der Formschluß zweckmäßigerweise am Scheitel des Gurtes angeordnet wird, Figur 4 zeigt den Faserverbundkörper des Pleuels unter Weglassen der Buchsen mit der Gestalt der Klebefuge zwischen Kern und Gurt zum Abbau der Schubspannungsspitze im Kleber sowie einem Beispiel für die Orientierung der Fasern im Kern.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die Pleuelstange besteht aus den beiden Lagerbuchsen 2 aus gehärtetem Stahl, aus dem tangential zwischen diesen beiden Buchsen und um diese Buchsen herumgewickelten Gurt 1 und dem zwischen den beiden Lagerbuchsen 2 und dem Gurt 1 befindlichen Kern 3. Zur Herstellung von stark auf Druck beanspruchten Kernen legt man harzgetränkte Glas- oder Kohlefaserprepregs mit vorwiegend unidirektionaler Faserorientierung unter den günstigsten Winkeln - t /O / - 0/00 /O mit # zwischen 100 und 300 zwischen den Fasern der verschiedenen Schichten lagenförmig aufeinander und härtet eine solche Platte unter Druck und Wärme aus. Diese Faserrichtungen im Kern 3 sind aus Figur 4 ersichtlich. Anschließend fertigt man spanend die entsprechenden Kernstücke aus einer solchen Platte.
Für weniger auf Druck beanspruchte Pleuelstangen ist ein aus einer geeigneten faserverstärkten Preß- oder Spritzgießmasse in den fertigen Konturen hergestellter Kern ausreichend. Die Buchsen 2 weisen zur Erzielung eines Formschlusses eine zusätzliche Fläche 4 (Figur 3) bzw. Taschen 5 (Figur 3) auf.
Zur Herstellung einer solchen Pleuelstange wird der Kern 3 an allen Schnittkanten mit einem geeigneten Kleber, wie z. B. einem wärmebeständigen Epoxidharz oder einem Siliconharz bestrichen, mit den Buchsen gefügt und die Buchsen samt dem Kern in die Aufnahmedorne eines Werkzeuges gespannt, das sich an einer Wickeleinrichtung befindet. Die Flächen 4 bzw. Aussparungen 5 der Buchsen sollten zweckmäßigerweise zu den Scheitelpunkten des später aufgebrachten Gurtes hin orientiert sein. Die Form der Klebefuge 6 ist aus Figur 4 ersichtlich.
Zum Bewickeln laufen die Endlosfasern von Vorratsspulen aus zunächst durch ein Tränkbad, werden dann zur Entfernung etwaiger Lösungsmittel im Harz durch einen Trockenofen geführt und anschließend um die beiden Lagerbuchsen 2 herumgewickelt, so daß schließlich ein Gurt 1 entsteht, der zusammen mit dem Klebstoff bei einer Temperatur in der Gegend der maximalen Betriebstemperatur ausgehärtet wird.
Es ist auch möglich, die Buchsen ohne den Kern zu umwickeln, diesen so entstandenen Vorformling in eine entsprechende Form einzulegen und in den Zwischenraum zwischen den Lagerbuchsen 2 und dem Gurt 1 vorgefertigte Faser-Prepregs mit vorwiegend unidirektionaler Faserorientierung so. einzulegen, daß die Fasern in den einzelnen Lagen bezüglich. der Längsachse abwechselnd Winkel von + z 0/00/- - 0/00 ( > zwischen 100 und 300) bilden, die Form zu schließen und das Ganze unter Druck bei höherer Temperatur auszuhärten. Alternativ zum Lagenaufbau des Kernstückes kann auch in die geschlossene Form eine faserverstärkte Preßmasse eingebracht und zusammen mit dem Gurt ausgehärtet werden. Nach dem Entformen liegen dann fertige Pleuelstangen vor.
Es ist ferner möglich, den Vorformling aus den Lagerbuchsen 2 und dem Gurt 1, der unter Verwendung eines wiederentformbaren inneren Stützkernes gewickelt worden ist, für sich drucklos oder in einer Preßform unter Druck in der Wärme auszuhärten, diesen Gurt nach dem Entfernen des Hilfskernes innen mit Klebstoff zu bestreichen, anschließend in eine entsprechende Preßform einzulegen und dann die wiederum vorgefertigten, den Kern bildenden Faserprepregs in die gleiche Form einzulegen oder aber faserverstärkte Preßmasse in die Form einzuspritzen und dann den Kleber und den Kern zusammen auszuhärten.
Schließlich ist bei schulterlosen Buchsen noch eine reine Montagelösung möglich, die darin besteht, daß ein wie oben beschrieben auf Maß hergestellter und ausgehärteter Gurt mit den Buchsen mit einem zuvor ebenfalls fertig hergestellten Kern verklebt wird.

Claims

Ansprüche 1. Pleuelstange mit einem umlaufenden, äußeren Gurt und einem Kern aus faserverstärktem Kunstharz, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) und der Gurt (1) einteilig sind und der Kern (3) aus einem Glas- oder Kohlefaser-La#-minat auf der Basis eines wärmebeständigen Kunstharzes besteht; wobei das Laminat aus Lagen mit vorwiegend unidirektionaler Faserorientierung aufgebaut ist und die Fasern in den einzelnen Lagen abwechselnd in Richtung der Längsachse der Pleuelstange und unter einem Winkel von + α° und - α° mit α zwischen 10° und 30° dazu liegen.
2. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Glas- oder Kohlefaser-Laminat einen Faseranteil zwischen 25 und 75 Vol.-% aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange, insbesonre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehärtete und vorgefertigte Kerne (3) aus einem Glas-oder Kohlefaser-Laminat oder aus einer Preßmasse an den Kantenseiten mit einem geeigneten Kleber bestrichen, der Kern (3) mit den bei einer Pleuelstange vorgesehenen Lagerbuchsen (2) gefügt wird, daß Kern (3) und Lagerbuchsen (2) mit harzgetränkten Glas- oder Kohlefaser-Rovings umwickelt und anschließend Klebstoff und Kunstharz zusammen ausgehärtet werden.
4. Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gurt (1) und Kern (3) ein weicher, temperaturbeständiger Kleb-2 stoff mit einem Schubmodul kleiner als 50 N/mm angeordnet ist, um Relativbewegungen zu ermöglichen, ohne daß ein gegenseitiger Abrieb entsteht.
5. Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kern (3) und Gurt (1) ein harter, temperaturbeständiger Klebstoff 2 mit einem Schubmodul größer als 50 N/mm angeordnet ist, um Gurt (1) und Kern (3) kraftschlüssig starr zu koppeln, wobei zum Abbau von Schubspannungsspitzen die Klebefugendicke (6) zu den Buchsen hin ansteigt.
6. Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß harzgetränkte Glas- oder Kohlefaser-Rovings um die beiden bei einer Pleuelstange vorgesehen Lagerbuchsen (2) gewickelt werden, daß dieser Vorformling in eine entsprechende Form eingelegt und daß dann vorgefertigte, den Kern (3) bildende Faser-Prepregs in die gleiche Form eingelegt werden oder faserverstärkte Preßmasse in die Form eingespritzt und anschließend das Ganze unter Druck ausgehärtet wird.
7. Verfahren zur Herstefflung einer Pleuelstange, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß harzgetränkte Glas- oder Kohlefaser-Rovings um die beiden bei einer Pleuelstange vorgesehenen Lagerbuchsen (2) und einem dazwischenliegenden wiederentformbaren Stützkern gewickelt werden, daß dieser Vorformling drucklos oder in einer Preßform in der Wärme ausgehärtet wird und daß anschließend der Gurt-Lagerbuchsen-Verbund ohne den Stützkern in eine entsprechende Preßform eingelegt wird und dann die vorgefertigten, den Kern (3) bildenden Faser-Prepregs in die gleiche Form eingelegt werden oder daß faserverstärkte Preßmasse in die Form eingespritzt und dann der Kern (3) ausgehärtet wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange, insbesondere nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß harzgetränkte Glas- oder Kohlefaser-Rovings um einen wiederentformbaren Hilfskern, welcher die Kontur von Kern (3) plus Lagerbuchsen (2) hat, gewickelt werden, daß der Gurt (1) nach dem Aushärten entformt und mit schulterlosen Buchsen (2) sowie mit getrennt hergestellten Kernen (3) zusammen verklebt wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange nach einem der Ansprüche 3 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelbuchsen (2) vorwiegend im Scheitelbereich des Gurts Flächen (4) oder Taschen (5) aufweisen, um durch den Formschluß mit dem Gurt (1) ein Drehen der Buchsen (2) im Faserverbund zu vermeiden.
10. Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange nach einem der Ansprüche 3 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständigen Formlinge in den Formen zunächst bei einer Temperatur unterhalb der maximalen Betriebstemperatur der Pleuelstange angehärtet und nach dem Entformen der Pleuelstange diese bei einer höheren Temperatur vollständig ausgehärtet wird, so daß bei Verwendung von Metallbuchsen (2) bei der maximalen Betriebstemperatur die Buchse nicht den Gurt (1) vom Kern (3) absprengt und bei der minimalen Betriebstemperatur sich ein möglichst geringer Spalt zwischen Buchse und Faserverbundwerkstoff einstellt.