DE3329001A1

DE3329001A1 - Connecting rod of fibre composite material

Info

Publication number: DE3329001A1
Application number: DE19833329001
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Chem. Dr. 7056 Weinstadt Kretschmer; Michael 7032 Sindelfingen Raitz; Thomas 7000 Stuttgart Wehr
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1983-08-11
Filing date: 1983-08-11
Publication date: 1984-12-20

Abstract

A connecting rod of fibre composite material with a split big end, in which the tensile forces are absorbed by an endless loop of reinforcing fibres which is deflected in the region of the big end at two anchors, the axes of the anchors running parallel to the bearing axis formed by the connecting-rod eye and the anchors being connected to the lower part of the big end by fastening means acting on the anchors. The lower part of the big end is preferably likewise formed by an endless fibrous strand, which is likewise led around two anchors of which the axes run parallel to the axis formed by the connecting rod eye. The two parts of the big end may be connected to each other by bracing the anchors against each other. In a way known per se, the connecting rod bears, furthermore, between connecting rod eye and big end a stiffener absorbing the compressive stresses.

Description

Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoff Connecting rod made of fiber composite material

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoff mit geteiltem Fuß, insbesondere für Kraftmaschinen mit umlaufender Kurbelwelle.The invention relates to a connecting rod made of fiber composite material with split base, in particular for power machines with rotating crankshafts.

Pleuelstangen aus Faserverbundwerkstoffen sind wegen des günstigen Verhältnisses von Festigkeit und Elastizitätsmoduls zur Masse des Bauteils in verschiedenen Ausführungsformen vorgeschlagen worden. So ist aus GB-PS 1 364 317 eine Pleuel bekannt, bei dem die die Zugspannungen aufnehmenden Fasern um das Pleuelauge herumgeführt sind und anschließend in dem teilbaren Pleuelfuß verankert sind. Allerdings ist der Faserstrang nicht in Form einer endlosen Schlaufe gewickelt, so daß die maximale Festigkeit nicht erreicht werden kann.Connecting rods made of fiber composites are cheap because of the Ratio of strength and modulus of elasticity to the mass of the component in different Embodiments have been proposed. A connecting rod is known from GB-PS 1 364 317, in which the tensile stress-absorbing fibers are guided around the connecting rod eye and are then anchored in the divisible connecting rod. However, it is the fiber strand is not wound in the form of an endless loop, so that the maximum Strength cannot be achieved.

Aus DE-OS 29 51 111 ist eine Pleuelstange bekannt, bei der die die Zugspannungen aufnehmenden Fasern in Form einer Endlosschlaufe gewickelt sind. Um die Montage des Pleuelfußes auf der kurbelwelle zu ermöglichen, wird jedoch der Faserstrang im Bereich des Pleuelfußes durchschnitten und nach der Montage mit den oberen Teil durch Verkleben wieder ver- bunden. Durch diese Trennung wird die Faser im Bereich der Trenn- bzw. Klebenaht unterbrochen, wodurch die Funktion der Faser als zug- und druckbelastetes Bauteil nicht mehr gewährleistet ist. Die Festigkeit der Verbindung an der Klebestelle ist damit nicht durch die hohe Festigkeit der Fasern, sondern lediglich durch die Festigkeit des Klebestoffs bedingt.From DE-OS 29 51 111 a connecting rod is known in which the Tension-absorbing fibers are wound in the form of an endless loop. Around However, to enable the connecting rod base to be mounted on the crankshaft Cut through the fiber strand in the area of the connecting rod and after assembly with the top part again by gluing bound. Through this separation the fiber is interrupted in the area of the separating or adhesive seam, which makes the function the fiber is no longer guaranteed as a component subject to tension and pressure. the The strength of the connection at the glue point is not due to the high strength of the fibers, but only due to the strength of the adhesive.

Schließlich ist aus DE-OS 30 04 575 ein Pleuel mit geteiltem Fuß bekannt, bei dem die die Zugspannungen aufnehmenden Fasern in Form einer Endlosschleife um das Pleuelauge und um zwei im Bereich des Pleuelfußes angeordnete Anker laufen. Über an diesen Ankern angreifende Schraubenbolzen als Befestigungsmittel kann der obere Teil des Pleuelfußes mit dem unteren Teil des Pleuelfußes verbunden werden.Finally, from DE-OS 30 04 575 a connecting rod with a split foot is known, in which the tensile stress-absorbing fibers in the form of an endless loop the connecting rod eye and run around two anchors arranged in the area of the connecting rod foot. About screw bolts acting on these anchors as fastening means, the upper part of the connecting rod to be connected to the lower part of the connecting rod.

Allerdings ist die Achse des Ankers, um die das Faserbündel im Bereich des Pleuelfußes gewickelt wird, senkrecht zu der durch das Pleuelauge gebildeten Lagerachse angeordnet, so daß die Fasern im Bereich des Pleuelfußes nicht in Zugrichtung liegen, d.h. nicht i Richtung der Hauptspannungslinien. Sie können somit ihrer eigentlichen Aufgabe, die Zugspannungen aufzunehmen, nur eingeschränkt gerecht werden. Um diesem Nachteil zu entgehen, wurde das Faserbündel im Bereich des Pleuelfußes mit einer außerordentlichen dicken Metallummantelung versehen, die in diesem Bereich die Zugkräfte aufnehmen kann. Die Aluminiumumwandelung ist im übrigen um das gesamte Faserbündel, auch im Bereich des Pleuelauges herumgelegt und übernimmt zusätzlich die Aufgabe des die i)rucksp£iiinuiige. aufnehmenden Drucstücks zwischen Pleuelauge und Pleuelluß.However, the axis of the anchor around which the bundle of fibers is in the area of the connecting rod foot is wound, perpendicular to that formed by the connecting rod eye Bearing axis arranged so that the fibers in the area of the connecting rod are not in the pulling direction lie, i.e. not in the direction of the main stress lines. You can thus be your real The task of absorbing the tensile stresses can only be met to a limited extent. To this To avoid the disadvantage, the fiber bundle in the area of the connecting rod with a Extraordinary thick metal sheathing provided that the tensile forces in this area can accommodate. The aluminum conversion is also around the entire fiber bundle, also lying around in the area of the connecting rod eye and also takes on the task of the i) rucksp £ iiinuiige. receiving pressure piece between the connecting rod eye and connecting rod socket.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Pleuel stange aus Faserverbundwerkstoff mit geteiltem Fuß zu finden, bei der die die Zugspannungen aufnebemenden Fasern in Form einer Endlosschlaufe verlaufen und das Faserbündel im wesentlichen in Zugrichtung, d.h.The object of the invention is therefore to rod a connecting rod made of fiber composite material with a split foot, in which the tensile stresses absorbing fibers run in the form of an endless loop and the fiber bundle essentially in the direction of pull, i.e.

in Richtung der Hauptspannungslinien verläuft.runs in the direction of the main stress lines.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Pleuelstange gelöst.This object is achieved by that described in the claims Connecting rod loosened.

Das auf Zug belastete Faserbündel wird somit im Bereich des Pleuelfußes über jeweils zwei Anker umgeleitet, deren Achsen parallel zu der durch das Pleuelauge gebildeten Lagerachse verlaufen. Dadurch verläuft das Faserbündel in Richtung der Hauptspannungslinien, wodurch eine maximal Ausnutzung der Festigkeitseigenschaften des Faserwerkstoffs erreicht werden kann. Diese Anker dienen gleichzeitig der Verbindung zum unteren Teil des geteilten Pleuelfußes. Der untere Teil des Pleuelfußes kann in herkömmlicher Weise ganz aus Metall bestehen, bevorzugt wird jedoch, wenn er ebenfalls aus Fasern in Form einer Endlosschlaufe gebildet wird, die um zwei Anker geführt wird, deren Achsen parallel zu der durch das Pleuelauge gebildeten Achse verlaufen. Der untere Teil des Pleuelfußes ist somit in der bevorzugten Ausführungsform hinsichtlich des Faserbündels von praktisch gleicher Konstruktion wie die pleuelstangen.The fiber bundle under tension is thus in the area of the connecting rod diverted via two anchors, the axes of which are parallel to that of the connecting rod eye formed bearing axis run. As a result, the fiber bundle runs in the direction of the Main lines of stress, thereby making maximum use of the strength properties of the fiber material can be achieved. These anchors also serve as a connection to the lower part of the split connecting rod base. The lower part of the connecting rod can consist entirely of metal in a conventional manner, but it is preferred if it is also formed from fibers in the form of an endless loop around two anchors is guided, the axes of which are parallel to the axis formed by the connecting rod eye get lost. The lower part of the connecting rod is thus in the preferred embodiment in terms of the fiber bundle of practically the same construction as the connecting rods.

Zur Aufnahme der Druckspannungen ist zwischen Pleuelauge und Pleuelfuß ein Druckstück angebracht, das bevorzugt aus faserverstärktem Kunststoff besteht. Dieses Druckstück ist in an sich bekannter Weise aus 0/+ 45/90° Lagen von Fasern aufgebaut. Ein ähnlich aufgebautes Druckstück wird z.B. in DE-OS 29 51 112 gezeigt.To absorb the compressive stresses is between the connecting rod eye and connecting rod foot a pressure piece attached, which is preferably made of fiber-reinforced plastic. This pressure piece is made up of 0 / + 45/90 ° layers of fibers in a manner known per se built up. A similarly constructed pressure piece is shown in DE-OS 29 51 112, for example.

Als Verstärkungsfasern sind besonders Kohlenstoffasern geeignet, da sie eine hohe Festigkeit und einen großen Elastizitätsmodul aufweisen. Je nach den Anforderungen an die Festigkeit können jedoch auch andere Fasern zur Anwendung kommen, z.B. Aramidfasern oder Glasfasern. Als Matrix des Verbundwerkstoffs eignen sich insbesondere Epoxidharze oder Polyimidharze, jedoch sollen auch andere thermisch belastbare Harze wie z.B. Formaldehydharze nicht ausgeschlossen werden.Carbon fibers are particularly suitable as reinforcing fibers because they have high strength and a large modulus of elasticity. Depending on the However, other fibers can also be used as strength requirements, e.g. aramid fibers or glass fibers. As a matrix of the composite material are suitable in particular epoxy resins or polyimide resins, but others should also be thermal Resilient resins such as formaldehyde resins cannot be excluded.

Die Herstellung der Pleuelstange erfolgt durch ein Wickelverfahren, bei dem um die beiden Anker eine definierte Menge der gewählten Fasern gewickelt wird. Die Fasern sind bereits mit dem Kunstharz getränkt. Anschließend wird in einer Vorrichtung die Endlosschlaufe um den das Pleuelauge bildenden Metalleinsatz, der der Aufnahme des Pleuellagers dient, gebogen, in Endstellung fixiert und ausgehärtet. Der untere Teil des Pleuelfußes wird, sofern er ebenfalls aus einer Endlosschlaufe gebildet werden soll, in gleicher Weise gewickelt und um eine Lageringhälfte des Pleuelfußes gebogen und ausgehärtet. Der Druckstempel und die obere llälftc des Lagerrings am Pleuel fuß können sowohl vor als auch nach dem Aushärten einge bracht werden. Zur Endmontagc werden die Lagerschalen in das Pleuel eingesetzt und die beiden Teile des Pleuelfußes über di die Anker mit Hilfe von Befestigungsmittel auf den erforderlichen Wert vorgespannt.The connecting rod is manufactured using a winding process, in which a defined amount of the selected fibers is wound around the two anchors will. The fibers are already soaked with the synthetic resin. Then in a Device the endless loop around the metal insert forming the connecting rod eye, the serves to accommodate the connecting rod bearing, bent, fixed in the end position and hardened. The lower part of the connecting rod, if it is also made of an endless loop is to be formed, wrapped in the same way and around one half of the bearing ring Connecting rod end bent and hardened. The pressure stamp and the upper half of the The bearing ring on the connecting rod base can be placed both before and after hardening will. For Endmontagc the bearing shells are used in the connecting rod and the both parts of the connecting rod over di the anchor with the help of fasteners preloaded to the required value.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildung beispielhaft erläutert. Es zeigen: Figur 1 die Gesamtansicht eines Pleuels, Figur 2 die Ansicht eines Druckstücks, Figuren 3 bis 6 verschiedene Ausführungsformen für die Anker.The invention is exemplified below with reference to the figure explained. They show: FIG. 1 the overall view of a connecting rod, FIG. 2 the view a pressure piece, Figures 3 to 6 different embodiments for the anchor.

Figur 1 zeigt ein vollständiges Pleuel mit Pleuelauge 1 und dem durch Metalleinsatz 5 und Lagerschale 6 gebildeten Pleuelfuß 4. Über das Pleuelauge 1 mit Metalleinsatz 2 und Lagerring 3 läuft das Faserbündel 7 in Form einer Endlosschlaufe zu den Ankern 8 bzw. 8a, an denen es umgelenkt wird. Der Anker 8 trägt einen senkrecht nach unten weisenden Bolzen 10, der mit einem Gewinde versehen ist.Figure 1 shows a complete connecting rod with connecting rod eye 1 and the through Metal insert 5 and bearing shell 6 formed connecting rod foot 4. Via the connecting rod eye 1 with metal insert 2 and bearing ring 3, the fiber bundle 7 runs in the form of an endless loop to the anchors 8 and 8a, at which it is deflected. The anchor 8 carries a vertical downwardly facing bolt 10 which is provided with a thread.

Zwischen Pleuelauge 1 und dem durch Metalleinsatz 5 und Lagerschale 6 gebildeten oberen Teil des Pleuelfußes ist das Druckstück 9 zur Aufnahme der Druckspannungen angeordnet. Der untere Teil des Pleuelfußes besteht ebenfalls aus einer Endlosschlaufe 12, die an den Ankern 11 und lla umgelenkt ist und den Metalleinsatz 15 und die untere Lagerschalenhälfte 16 trägt. Der Anker 11 bzw. lla ist mittig mit einer Hülse versehen, durch die der Schraubenbolzen 10 bzw. 10a durchgesteckt und mittels der Muttern 14 bzw. 14a verschraubt ist. Das Druckstück 9, das in Figur 2 noch einmal dargestellt ist, hat entsprechende kreissegmentförmige Aussparungen zur Aufnahme der Metalleinsätze Es ist in Farm eines H-Protils ausgebildet mit zwei nußenliegenden Platten und einem mittig angerdneten Verbindungssteg 21 (gestrichelt gezeichnet).Between the connecting rod eye 1 and the metal insert 5 and bearing shell 6 formed upper part of the connecting rod is the pressure piece 9 for absorbing the compressive stresses arranged. The lower part of the connecting rod also consists of an endless loop 12, which is deflected at the anchors 11 and 11a and the metal insert 15 and the lower bearing shell half 16 carries. The armature 11 or 11a is centered with a sleeve provided through which the screw bolt 10 or 10a is inserted and by means of the Nuts 14 and 14a is screwed. The pressure piece 9, which is shown in Figure 2 again is shown, has corresponding circular segment-shaped recesses for receiving of the metal inserts It is designed in the form of an H-protile with two nuts Plates and a centrally arranged connecting web 21 (shown in dashed lines).

Uie Anker, die der Umlenkung des Faserstranges dienen können die unterschiedlichsten Formen aufweisen. In Figur 3 wird ein röhrenförmiger Anker 30 mit einer zentralen Bohrung 31 gezeigt. An den Enden des Ankers sind Wülste 34 angebracht, die ein Abrutschen der nur ganz schematisch eingezeichneten Faserstränge 32 und 33 verhindern sollen. Durch die Bohrung 31 kann eine Schraube gesteckt werden, mittels derer sich der Anker an einem entsprechenden Gegenstück befestigen lassen kann.Uie anchors, which can be used to deflect the fiber strand, are very diverse Have shapes. In Figure 3, a tubular anchor 30 with a central Bore 31 shown. At the ends of the anchor beads 34 are attached to prevent slipping the fiber strands 32 and 33, which are only drawn in very schematically, are intended to prevent. A screw can be inserted through the bore 31, by means of which the Can attach anchor to a corresponding counterpart.

In Figur 4 ist ein Anker 40 dargestellt, -der mit zwei Außenstücken 40 bzw. 40a versehen ist, die Bohrungen 41 bzw. 41a tragen, durch die der Anker mit einem Gegenstück verschraubt werden kann. In Figur 5 ist ein T-förintger Anker dargestellt, ähnlich dem Anker 8 in Figur 1. 13er Anker trägt wiederum einen Wulst 52 bzw.In Figure 4, an anchor 40 is shown, -der with two outer pieces 40 and 40a is provided, which carry bores 41 and 41a, through which the anchor can be screwed to a counterpart. In Figure 5 is a T-förintger anchor shown, similar to the anchor 8 in Figure 1. The anchor 13 again carries a bead 52 or

52a zur Verhinderung des Abgleitens der Fasern sawie einen Gewindeansatz 51, der durch eien Hülse gefübri und durch Verschrauben mit dieser verbunden werden kann Figur 6 zoigt einen Anker ähnlich Figur 4. der eine ha sonders einfache Montage des geteilten Pleuelfußes ermöglicht. Der Anker trägt an den beiden Enden zwei Köpfe 60 bzw. 60a, die mit Schlitzen 61 versehen sind. Die Weite dieesr Schlitze entspricht dem Durchmesser der Verbindungsschraube mit der der Anker befestigt werden soll.52a has a thread attachment to prevent the fibers from sliding off 51, which are connected by a sleeve and screwed to it Figure 6 zoigt an anchor similar to Figure 4. the one ha particularly easy assembly the split connecting rod allows. The anchor has two heads at both ends 60 and 60a, which are provided with slots 61. The width of these slots corresponds the diameter of the connecting screw with which the anchor is to be attached.

@@m ein Herausralschen der Schraube aus en Köpfen zu@ V< rh i i<l<rri i ricl <11 ( te köpf@ in i t ( i n< r r i @gesenkt en Zen 1 ri -rung 62 verschen. die den Kopl der Verbindungsschraube bzw. die Mutter aufnimmt. Die gezeigten Anerformen stel len lediglich Beispiele dar, und es ist selbstverständlich, daß ein Fachmann anband seines Fachwissens noch wellere Anerformen entwerfen kann.@@ m the screw ripping out of the heads to @ V <rh i i <l <rri i ricl <11 (te köpf @ in i t (i n <r r i @gesenken en Zen 1 ri -rung 62 give away. which receives the head of the connecting screw or the nut. The forms shown stel len are only examples, and it goes without saying that a person skilled in the art can design even more anerforms using his specialist knowledge.

Claims

Claims 1.) Connecting rod made of fiber composite material with split ß with a stiffener that absorbs the compressive forces between the connecting rod eye and the connecting rod foot (Pressure piece) and an endless loop made of reinforcing fibers to absorb the tensile forces, which runs around the connecting rod eye and around two armatures arranged in the area of the connecting rod foot and wherein the connecting rod foot is divided into an upper and a lower part, characterized in that that the axes of the armature parallel to the bearing axis formed by the connecting rod eye run and the anchors via fasteners acting on the anchors with the lower part of the connecting rod are connected.

2. Connecting rod according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the lower part of the connecting rod is made of fiber composite material which the fibers are guided in the form of an endless loop around two anchors, their axes run parallel to the axis formed by the connecting rod eye

3. Connecting rod according to Claim 1 or 2, characterized in that between the connecting rod eye and connecting rod foot a pressure piece known per se which absorbs compressive stresses Fiber composite is arranged.