SE439051B - Kolvbult - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 8009054-3 av en hålcylinder av metall, vars väggtjocklek är konstant över hela längden. Således uppstår de ovan beskrivna hållfast- hetsproblemen även vid denna kända kolvbult.

Vidare är det känt att i en kolvbult av lättmetall inbädda axel- 'parallella stålfibrer (se FR PS 540 514). Visserligen för- bättras härigenom kolvbultens hållfasthetsegenskaper, men ändå uppträder problem med materialbrott i området för de starkaste påkänningarna, således i övergångsområdet mellan kolven och vevstaken, eftersom den axiella förstyvningen av materialet medelst stålfibrerna i detta område ej medför den önskade ök- ningen av kolvbultens hâllfasthet.

Syftet med uppfinningen är att åstadkomma en kolvbult av det inledningsvis angivna slaget, varvid kolvbulten trots ringa massa har lika goda eller bättre hållfasthetsegenskaper än hos kända kolvbultar.

Detta uppnås för en kolvbult av nämnt slag medelst de särdrag, som anges i patentkravets l kännetecknande del.

Därvid är det väsentligt att de i olika riktningar förlöpande armeringsfibrerna förhindrar såväl utböjning av kolvbulten som deformation av densamma till oval form. Den likaledes ge- nomförda uppdelningen av glidlagerskiktet i området för maxi- mal mekanisk deformation medför att en överbelastning av glid- lagerskiktet och därmed brott på detsamma kan undvikas. Upp- delningen av glidlagerskiktet möjliggöres därigenom, att glid- lagerskiktet självt endast i oväsentlig grad bidrager till bultens hållfasthet, vilken i huvudsak åstadkommes av de i olika riktningar förlöpande armeringsskikten.

Inlagring av vävformigt material är i sig tidigare känd, exem- pelvis vid bromsklotsar och kopplingsbelag (se DE PS 98 568 och DE AS l 600 043). Inlagringen av vävformig armering genom- föres i dessa fall på delar, som är utsatta för förslítninq, i huvudsak i syfte att göra dessa delar mer nötningsbeständiga. l0 15 20 25 30 35 8009034-3 Vid kolvbulten enligt uppfinningen är syftet med lnbäddnnnqen av fibrer däremot en ökning av kolvbultens deformationswol- stånd, 1 synnerhet l fråga om utböjníng och deformation tiil oval form.

Vid en föredragen utföringsform är fibrerna inbäddade i plast- material, i synnerhet i högtemperaturbeständiga modifikatio- ner av härdplaster, såsom epoxid-, polyester- eller polyimld- plast, eller i högtemperaturbeständiqa termoplaster, såsom polykarbonater eller polysulfoner.

Framställningen av glidlagerskiktet âstadkommes företrädesvis genom metallisering av kolvbulten. Vid kolvbultar är det i sig tidigarekäntattpåglidställenaanordnaett överdrag av hård nitrid, borid och/eller silicid av en eller flera metal- ler i periodiska systemets grupper 3-6 (se den kungjorda tyska patentansökningen M 20 813).

Vid en särskild föredragen utföringsform består glidlagerskik- tet av en mellanliggande cylindrisk hylsa och av två därtill på ömse sidor anslutande cylindriska kåpor, vilka täcker åtmin- stone ändytorna på den fiberarmerade kolvbulten.

I kompoundmaterialet enligt uppfinningen är flera fiberskikt anordnade, vilka förlöper i olika riktningar. Särskilt fördel- aktig är en anordning, varvid fiberskikten är växelvis oriente- rade, varvid fibrerna är orienterade parallellt med kolvbultens axellinje resp. vinkelrätt mot denna axellinje i omkretsrikt- ningen. Under det att de parallellt med kolvbultens axellinje förlöpande fibrerna motverkar kolvbultens utböjning, begränsar de i omkretsriktningen förlöpande fiberskikten kolvbultens deformation till oval form.

Följande fibrer är särskilt lämpade för uppbyggnad av en kolv- bult: kolfibrer, glasfibrer, syntelfibrer (aramidfibror), bor- fíbrer, Al.O -fibrer och kiselkarbidfibrer. 2 3 15 ¿0 25 30 35 8009034-3 Lämpliga för detta ändamål är även borfibrer, vilka är över- dragna med kiselkarbid eller B48.

Enligt en första utföringsform av uppfinningen är fibrerna inbäddade i lättmetall, såsom aluminium eller titan.

I andra föredragna fall är fibrerna inbäddade i plastmaterial, i synnerhet i högtemperaturbeständiga modifikationer av härd- plaster, såsom epoxid-, polyester- eller polyimidplast, eller i nögtemperaturbeständiga termoplaster, såsom polykarbonater eller polysulfoner.

Företrädesvis är ett metalliskt glidlagerskikt med cirkulär- cylindrisk ytteryta anordnat på utsidan av det fiberarmerade kßmpoundmatßrialet- Detta gliaiagerskikt bildar tillsammans; med en motsvarande lagerskål i kolvborrningen ett glidlaqer för kolven. Valet av material kan därvid göras såsom är vanligt vid glidlager, dvs det ena skiktet består i regel av en miukare metall och det andra av en hårdare metall. Genom att hållfast- hets- och styvhetsegenskaperna hos kolvbulten enligt uppfin- ningen bestämmes av det fiberarmerade kompoundmaterialet, kan kolvbultens glidlagerskikt även bestå av en mjukare metall, dvs man kan fritt välja material för glidlagerskiktet, och detta material behöver således ej ha några egenskaper som ger kolvbulten förbättrad hållfasthet, såsom är fallet vid kända kolvbultar av stål eller dylikt. Man kan således välja den för lagringen mest gynnsamma materialkombinationen, varvid i synnerhet föreligger en möjlighet att genom variation av kom- poundmaterialets uppbyggnad anpassa fiberkompoundmaterialets värmeutvidgningskoefficient exempelvis till glidlagermaterialet.

Lagerskiktet kan bildas av en yttre, det fiberarmerade kompound- materialet omgivande cirkulärcylindrisk lagerhylsa av metall, men det är även möjligt att metallisera kompoundmaterialet, exempelvis galvaniskt eller genom förångning.

Enligt uppfinningen är vidare glidlagerskiktet uppdelat 1 över- l0 15 20 30 35 8009034-5 gångsområdet mellan kolven och vevstaken. I detta område unp- träder de största skillnaderna i mekanisk deformation av kompoundmaterial och lagerskikt. Genfim en uppdelning av glid- lagerskiktet i detta område kan överbelastning undvikas. Efter» som glidlagerskiktet självt bidrager endast oväsentligt till bultens hållfasthet, har uppdelningen praktiskt taget ei någon inverkan på kolvbultens mekaniska egenskaper.

Det fiberarmerade kompoundmaterialet kan utfylla hela det inre rummet innanför glidlagerskiktet, men lämpligen bildar kompoundmaterialet ett koaxiellt med kolvbultaxellinjen anord- nat, cylindriskt skikt, som omger ett genomgående inre nålrum.

För att skydda det fiberarmerade kompoundmaterialct mot de aggressiva medier, som omger detsamma, är det vidare fördel- aktigt att förse kompoundmaterialet med ett väsentligen ogenom~ trängligt skikt på dess mot hålrummet vända insida och/eller på ändytorna. Ett dylikt ogenomträngligt skikt kan företrädes- vis bestå av plast eller metall.

Exempelvis kan det ogenomträngliga skiktet bildas av en rör- formig hylsa i det inre av kolvbulten.

Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen uppbär den rör- formiga hylsan vid ena änden en fläns, som täcker kompound- materialskiktets ändyta, och vidare uppbär även det cylindris- ka lagerskiktet på kolvbultens motstående ände en motsvarande fläns, som täcker kolvbultens motstående ändyta.

Det är lämpligt om lagerskiktet består av en mellanliggande cylindrisk hylsa och två därtill på ömse sidor anslutandv cylindriska kåpor, vilka täcker åtminstone ändytorna på den Eiberarmerade kolvbulten.

Företrädesvis består kåporna av två koaxiellt anordnade cirku- lära cylindrar, vilka är förbundna med varandra medelst en rinqfnrmiq ändväqg. Därvid är det lihvrarmwrddv kwmpwundmalwfl LO 15 20 30 35 isoo9os4-3 rialet anordnat i ringspalten mellan de cirkulära cylindrarna.

Det är särskilt lämpligt om fiberinneHållet i kompoundmaturía- let uppgår till minst 60 volymë. på grund av den ringa tätheten nos de till kflmnoundmaterialet använda materialen kan kolvbultens massa trots hög styvhet och/eller hållfasthet reduceras med cirka 50% jämfört med tidi- gare kända stålbultar. Kolvbultens lägre massa medför en reduk- tion av de dynamiska påkänningarna på vevstake och vevaxel. Även dessa komponenter kan således ges klenare dimensioner, varför motorns totala massa kan reduceras avsevärt. Dessutom har fiberkompoundmaterial goda dynamiska hållfasthetsegenska- per, en lägre sprickutbredningshastighet och bättre slagtålig- het. Därigenom och genom den i allmänhet väsentligt högre dämp- ningen hos fiberkompoundmaterial minskas motorns bulieralst- ring.

Uppfinningen förklaras närmare nedan under hänvisning till bi- fogade ritningar som åskådliggör nâgra föredragna utförings- former.

Fig. l visar ett längssnitt genom en kolvbult, som förbinder en vevstake med en kolv; Fig. 2 visar i större skala fiberorienteringen i kolvbulten enligt fig. 1; Fig. 3 visar i längssnitt ett annat utföringsexempel på en kolv- bult; Fig. 4 visar i längssnitt två andra utföringsexempel av en kolvbult; Fig. 5 visar i längssnitt ännu ett utföringsexempel på en kolv- bult; och w l5 2" 30 35 8009034-5 Elg. 5 visar i längssnitt ytterligare ett utförzngsexewpeí då en kolvbult.

I en i tig. l endast delvis åskådliggjord kolv l är en knlv~ bult ring av kolvbulten mot axiell törskiurning uppbär denna vid 3 vridbart lagrad i en genomgående borrning 3. För säk~ båda ändarna en axelsäkringsring 4, vilken ingriper i ett mot- svarande spår i borrningen 2.

Kolvbulten 3 sträcker sig genom en borrning 5 i huvudet på en i fig. l delvis visad vevstake 8, vars huvud på detta sätt lr lagrad i kolvens 1 inre hålrum 6.

Kolvbulten 3 består av ett cirkulärcyrindriskt sklkt 9 av ett ROmp0uflQmätGïifil, i vilket fibrer 10 är inbäddade såsom arme- som visas i större skala i fiq. if, !3, ring, nämligen på det sätt, 2. Således är fibrerna anordnade i omväxlande skirt ll, i vilka fibrerna l0 är anordnade inbördes vinkelrätt mvt varand~ ra. Säswm framgår av fig. förlöper fibrerna lü l erf iaqvr parallellt med kolvbultens axellinje ich i de båda intilliggan- de lagren vinkelrätt däremot.

På sin utsida uppbär kompoundmaterialskiktet 9 ett metalliskz qlidlagerskikt 14, som antingen kan vara påfört på galvanisk väg eller genom påångning eller utgörs av en på kflmp~undnitv~ rialskiktet 9 påskjuten glidlagerhylsa.

Glidlagerskiktet är uppdelat i tre intill varandra liggande segment- Skiljelinjerna förlöper i området mellan å ena sidan kolvens inre vägg och å andra sidan vevstakshuvudet.

För framställning av glidlagerskiktet 14 kan man använda olika metaller med gynnsamma glidlageregenskaper, varvid valet göres med hänsyn till materialbeskaffenheten hos borrningens 2 inner~ vägg. Om denna lnnervägg är hård, användes ett mjukt matwrial för glidlagerskiktet, medan om innerväggen består av erf mjukt material, framställes glidlagerskiktet av en hård metall. 10 lå 20 25 30 35 8009034-3 Vid den i fig. l visade kolvbulten är kompoundmaterialskiktet 9 fritt åtkomligt från ändytorna och från insidan, dvs det står i direkt kontakt med smörjoljan.

Den i fig. 3 visade kolvbulten är uppbyggd på liknande sätt som.den i fig. l. Ett cirkulärcylindriskt kompoundmaterialskikt 9 med korsande fiberlager uppbär på sin utsida ett glidlager- skikt 14, vilket liksom vid utföringsexemplet enligt fig. l är uppdelat i området mellan å ena sidan kolvinnerväggen och å andra sidan vevstakshuvudet, så att tre cirkulärcylindriska segment 15, 16 och 17 är anordnade bredvid varandra på den cir- kulärcylindriska, fiberarmerade kompoundmaterialkärnan. Efter- som kompoundmaterialet och glidlagerskiktet under drift under- går olika deformationer i området 26, finns en risk att glid- lagerskiktet skadas, om detta utformas i ett stycke. Uppdel- ningen av glidlagerskiktet i området 26 mellan kolven och vev- stakshuvudet förhindrar emellertid dylika skador.

I exemplet enligt fig. 3 är den cirkulärcylindriska kompound- materialkärnan vidare på sin insida försedd med ett ogenom- släppligt skikt 18, som kan bestå av metall eller ett lämpligt temperatur- och oljebeständigt plastmaterial. Detta skikt kan exempelvis utgöra en i det inre av kompoundmaterialkärnan inskjuten hylsa eller ett skikt av polytetrafluoretylen.

I fig. 4 visas två möjliga modifikationer av kolvbulten enligt 1 fig. 3. På den vänstra sidan är glidlagerskiktets 14 kantseg- ment l5a utformat såsom en kåpa, vilken består av koncentriskt I anordnade cylindrar 19 och 20, vilka är förbundna med varandra V via en ringformig ändvägg 21. En dylik kåpa l5a påskjutes från ömse sidor på kompoundmaterialkärnan, varvid den yttre cylin- dern l9 bildar glidlagerskiktet, medan den inre cylindern 20 och ändväggen 21 tjänar till att skydda det fiberarmerade kompoundmaterialet mot olja. I området mellan de båda kâporna å l5a uppbär kompoundmaterialkärnan på sin utsida liksom kolv- bulten enligt fig. 3 ett cylindriskt glidlagersegment 16 och I på sin insida ett cylindriskt, ogenomträngligt skikt l8a. Det IÜ 15 20 25 30 35 i __l_.... _._ __.. 8009034-3 till höger i fig. 4 visade utföringsexemplet skiljer sig från den vänstra delen endast därigenom, att kåpan J7a består av ett cylindriskt segment 17 och en ändvägg 22, som täcker kom- poundmaterialkärnans ändyta, medan kompoundmaterialkärnans innervägg täcks av ett utmed hela längden sig sträckande, ogenomsläpplígt skikt 18.

I utföringsexemplet enligt fig. 5, vars kompoundmaterialkärna företrädesvis är uppbyggd på samma sätt som de ovan beskrivna utföringsexemplen, har glidlagerskiktet l4 en ändvägg 23, som täcker kompoundmaterialkärnans ena ändyta, medan det ogenomträngliga skiktet 18 på den motsatta sidan har en ring- fläns 24, vilken täcker kompoundmaterialkärnans motstående ändyta. Glidlagerskiktet 14 är i detta utföringsexempel upp- delat på samma sätt som i fig. 3 och 4.

Under det att samtliga beskrivna kolvbultar har en genomgående inre borrning, är den i fig. 6 visade kolvbulten massivt ut- formad. Däri alternerar 1 radiell riktning lager med parallellt med kolvbultaxellinjen förlöpande fibrer och med vinkelrätt mot kolvbultaxellinjen i omkretsled förlöpande fibrer. På sam- ma sätt som i de ovan beskrivna kolvbultarna uppbär denna massiva kolvbult på sin utsida ett uppdelat glidlagerskikt.

Armeringsfibrerna kan vid samtliga beskrivna utföringsexempel vara av olika slag. Särskilt lämplig är användningen av glas- fibrer, kolfibrer, syntetfibrer (aramidfibrer), aluminiumoxid- fibrer samt även kiselkarbidfibrer och borfibrer, varvid de senare, framförallt vid.inbäddningi metall, är överdragna med kiselkarbid eller B4C. De förstnämnda fibrerna har en diameter av storleksordningen l0 p, medan borfibrerna och kiselkarbid- fibrerna i regel har en diameter överstigande l00 p.

Fibrer av det beskrivna slaget kan inbäddas i olika material, exempelvis i lättmetaller såsom aluminium eller titan eller i speciella plaster, exempelvis högtemperaturbeständiga modifi- kationer av härdplast, såsom epoxid-, polyester- eller poly- 10 15 20 25 8009054-3 lO imidplaster, eller högtemperaturbeständiga termoplaster, såsom polykarbonater eller polysulfoner.

Särskilt fördelaktiga kombinationer uppnås vid inlagring av borfibrer eller kiselkarbidfibrer i aluminium, samt vid inlag- ring av kolfibrer i plast.

Det är lämpligt om fiberinnehâllet i kompoundmäterialet går till minst 60 volymß. upp- Ett ogenomträngligt skyddsskikt på insidan och/eller på änd- ytorna på kompoundmaterialet kan undvaras, om kompoundmate- rialet är beständigt mot aggressiva medier, såsom olja eller föroreningar, exempelvis vid användning av en fiberarmerad lättmetall.

Genom de ovan beskrivna materialkombinationerna är det vid an- vändning av fiberarmerade material med tätheter på mellan l,5 och 2,7 g/cm3 och ett fiberinnehåll på ca 60 volym% möj- ligt att sänka den dynamiska belastningen på vevstake och vevaxel, eftersom viktreduktionen uppgår till 50% eller mer jämfört med konventionella stålkonstruktioner.

Slutligen skall påpekas, att de för framställning av bultar av fiberförstärkta material nödvändiga tillverkningsmetoderna är i sig tidigare kända och därför ej beskrives i detta sam- manhang.

Claims (15)

8009034-3 ll åêlllíèl

1. l. Kolvbult för förbindning av en förbränningskolvmaskins kolv med en vevstake, vilken kolvbult åtminstone delvis bt- stâr av ett fiberarmerat kompoundmaterial, varvid på det fi- berarmerade kompoundmaterialets utsida är anordnat ett metal- liskt glidlagerskikt med cirkulärcylindrisk ytteryta, k ä n n e t e o k n a d a v att i kompoundmaterialet är anordnade flera fiberskikt (ll,l2,l3), vilka förlöper i olika riktningar, och att nämnda glidlagerskikt (14) är uppdelat i övergångsområdet (26) mellan kolven (1) och vevstaken (8).

2. Kolvbult enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d a v att fibrerna åtminstone i ett delområde av kompoundmaterialet förlöper parallellt med kolvbultens axellinje.

3. Kolvbult enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d a v att fiberskikten (ll,l2,l3) är växelvis anordnade, varvid fibrerna (10) är orienterade parallellt med kolvbultens axel- linje resp. i omkretsled vinkelrätt mot kolvbultens axellínje.

4. Kolvbult enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d a v att fibrerna (10) utgörs av kolfibrer, glasfibrer, syntetfibrer, borfibrer, aluminiumoxidfibrer eller kiselkarbidfibrer.

5. Kolvbult enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d a v att borfibrerna är överdragna med kiselkarbid eller B4C.

6. Kolvbult enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d a v att fibrerna (10) är inbäddade i lätt- metall, såsom aluminium eller titan.

7. Kolvbult enligt något av kraven l-5, k ä n n e t e c k - n a d a v att fibrerna (10) är inbäddade i plastmaterial, i synnerhet i högtemperaturbeständiga modifikationer av härd- 8009034-3 l2 plaster, såsom epoxid-, polyester- eller polyimidplast, eller i högtemperaturbeständiga termoplaster, såsom polykarbonater eller polysulfoner.

8. Kolvbult enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d a v att fiberinnehållet i kompoundmateria- let uppgår till minst 60 volym%.

9. Kolvbult enligt något av föregående krav, k ä n n e ~ t e c k n a d a v att kolvbulten är metalliserad.

10. Kolvbult enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d a v att det fiberarmerade kompoundmaterialet utfyller hela det inre rummet innanför glidlagerskiktet (14).

11. ll. Kolvbult enligt något av kraven l-9, k ä n n e t e c k - n a d a v att kompoundmaterialet bildar ett koaxiellt med kolvbultens axellinje anordnat, cylindriskt skikt (9) och om- ger ett genomgående inre hâlrum.

12. l2. Kolvbult enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d a v att kompoundmaterialet på sin mot hålrummet vända insida och/ /eller på ändytorna är försett med ett väsentligen ogenomträng~ ligt skikt (l8,l8a,20,25).

13. Kolvbult enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda ogenomträngliga skikt (l8,l8a) består av plast el~ ler metall.

14. Kolvbult enligt krav l2 eller l3, k ä n n e t e c k - n a d a v att nämnda ogenomträngliga skikt (18) bildas av en rörformig hylsa.

15. l5. Kolvbult enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda rörformiga hylsa vid ena änden uppbär en fläns (24), 8009034-3 13 som täcker kompoundmaterialsklktets ändyta, och att det cy- lindriska glidlagerskiktet på kolvbultens motstående ändt uppbär en motsvarande fläns (23), som räcker Kolvbultcns mol- stående ändyta. lö. Kolvbult enligt något av kraven 1-15, k ä n n e - t e c k n a d a v att glidlagerskiktet (14) består av en mellanliggande cylindrisk hylsa (16) och två därtill på ömse sidor anslutande cylindriska kåpor (l5a;l7a;, vilka täcker åtminstone ändytorna på den fiberarmerade kolvbulten. l7. Kolvbult enligt krav 16, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda kåpor består av två koaxiellt anordnade cirkulära cylindrar (l9,20), vilka är inbördes förbundna medelst en ringformig ändvägg (21), och att det fiberarmerade kompound- matelialet är anordnat l ringspalten mellan de cirkulära cy- lindrarna (l9,20).