COMPOSITE CONNECTING MEMBER, PARTICULARLY A CONNECTING ROD OR LINK, AND METHOD OF MAKING THE SAME

Abstract: 1. Connecting element of metal and plastics, which is exposed alternately to pressure-and tensile stresses, in particular connecting rods or link chains, in which two bearings (3, 4) and a crosspiece (2) for absorbing the pressure forces-from a closed belt loop (1) - for absorbing the tensile forces - are enclosed in form-fit manner and are held together, characterised in that at least one bearing (5) is divided along a plane (13) perpendicular to the longitudinal axis (14) of the crosspiece (2), and in that the part (9) of the bearing (5) which is adjacent to the crosspiece is constructed in one piece with this, and in that the separated parts are held together in force fit manner by means of prestressing by the resilient prefabricated belt loop (1) which in the relaxed state can not be laid round these parts.

Description: Hybrides Verbindungsglied, insbesondere Pleuel oder Schäkel, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung betrifft ein hybrides Verbindungsglied ge mSss dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung des Verbindungsgliedes nach Anspruch 11. Als typisches Beispiel eines wechselweise auf Druck und Zug beanspruchten Verbindungsgliedes ist ein Pleuel für Hubkolbenmotoren zu betrachten. Diese Pleuel bestehen meistens aus geschmiedetem Stahl, Temperguss oder Gusseisen mit Kugeigraphit. Weitere Beispiele sind Schäkel für die Flügel aufhängung am Rumpf von Luft- und Raumfahrzeugen, sowie Pleuel für Kolbenkompressoren. Bei bekannten Verbindungsgliedern, z.B. Pleuel, werden die Zug- und Druckkräfte ausschliesslich vom gleichen Körper übertragen. Dies bedeutet, dass es nicht möglich ist, solche Verbindungsglieder optimal zu dimensionieren, weil ein vorwiegend für Druckschwellbelastung oder vorwiegend für Zugschwellbelastung geeigneter Werkstoff nicht ebenfalls für eine Zug-/Druck-Wechselbelastung optimal ist. Infolgedessen muss bei der Werkstoffwahl ein Kompromiss gefunden werden, was zu überdimensionierten Verbindungsgliedern führt. Für die Senkung des Treibstoffverbrauchs ist die Automobilindustrie zunehmends an optimierten, z.B. leichten Bauteilen interessiert. Es wurden deshalb Versuche unter normen, das Gewicht von Pleueln und Schäkeln durch Verwendung faserverstärkter Kunststoffe oder Metallen mit hoher spezifischer Festigkeit gegenüber den üblichen Ausführungen zu senken. In der DE-OS 30 29 972 ist ein Pleuel mit einem durch ein Faserbündel verstärkten Steg beschrieben. Obschon bei dieser Ausführung eine Gewichtseinsparung erzielt werden kann, ist eine Herstellung solcher Pleuel in grossen Mengen zu günstigen Preisen nicht vorstellbar. Ferner kommt hinzu, dass nicht der ganze Pleuel Faserbündel aufweist. Somit sind Schwachstellen dort vorhanden, wo die Faserbündel enden. Ferner ist in der DE-OS 26 57 832 ein Schäkel beschrieben, in dem Faserverbundwerkstoffe verwendet werden. Diese Ausführung ist für Schäkel in kleineren Stückzahlen ausgelegt und zur Herstellung von grösseren Stückzahlen zu niedrigen Preisen ungeeignet. Ausserdem sind die vorwiegend auf Zug belasteten Teile mit den vorwiegend auf Druck belasteten Teilen derart verbunden, z.B. verklebt, dass sie zusammen einen Teil bilden. Aufgabe der Erfindung ist somit die Schaffung eines hybriden Verbindungsgliedes sowie eines Verfahrens zu dessen Herstellung auf einfache und preisgünstige Art. Dabei soll das Verbindungsglied den z.B. bei Pleueln auftretenden Zug- und Druckspannungen gewachsen und dauerhaft sein. Eine weitere Bedingung ist ferner, dass das Verbindungsglied die bei Ottomotoren auftretenden Temperaturen problemlos aushalten soll. Schliesslich soll das Verbindungsglied für eine rationelle Massenproduktion geeignet sein. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss mit der Lehre gemäss dem gekennzeichneten Teil der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Ausführungsformen dieser Lehre sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen umschrieben. Die so geschaffene Lösung ist sowohl für Pleuel als auch für Schäkel geeignet und ermöglicht die Herstellung von preisgünstigen und dauerhaften Produkten. Die Einfachheit der Fertigung gestattet die Massenherstellung von preisgünstigen Pleueln z.B. für den Automobil- und Motorradbau. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Aufsicht des Pleuels, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Pleuel lEngs der Linie 1 - 1 in Fig. 1, Fig. 3 eine Aufsicht eines Lagerkörpers, Fig. 4 eine Variante zum Schaft und Lager nach Fig. 1, und Fig. 5 eine Seitenansicht längs der Schnittlinie 14 in Fig. 1. In Fig. 1 ist ein Pleuel mit einem Schaft oder Steg 2 aus gegossenen Eisen und einer Schlaufe 1 aus faserverstärktem Kunststoff dargestellt. An einem Ende des Pleuels befindet sich ein Lager 3 zur Aufnahme der Kurbelwelle und am anderen Ende ein Lager 4 für die Aufnahme des Kolbenbolzens. Bei dieser Ausführung handelt es sich um einen Pleuel für Einzylindermotoren, Zweizylindermotoren mit Antrieb in der Mitte der Kurbelwelle sowie Mehrzylindermotoren mit zusammengesetzter Kurbelwelle Zur Herstellung der Schlaufe 1 werden Rovings, z.B. aus Glas-, Aramid- oder Kohlenstofffasern, in ein flüssiges Kunststoffharz getaucht und auf einen entsprechend di mensionierten Formkörper aufgewickelt und ausgehärtet. Es können dabei eine grosse Anzahl von Schlaufen 1 nebeneinander hergestellt werden, die nach der Aushärtung in einzelne Schlaufen 1 aufgetrennt werden. Diese Trennung kann z.B. mittels einer Säge oder dergleichem erfolgen. Es ist aber auch möglich, die einzelnen Fasern direkt auf die Lager aufzuwickeln. In diesem Falle kann es zweckmässig sein, die Umfangsfläche der Lager mit Rillen zwecks besserer Verankerung mit den Fasern zu versehen. Die Stege 2 werden ebenfalls in grösserer Anzahl gegossen und anschliessend bearbeitet und kalibriert. Die Lagerkörper 3 und 4 können z.B. von Stahlrohren abgetrennt werden, die auf der Innenseite bereits mit einem Lagermetall versehen sind. Das Lagermetall kann aber auch von Rohren abgetrennt und in die Stahlrohre eingepresst werden. Bei der Herstellung derartiger Pleuel werden die Lager 3 und 4 in die beiden Enden der Schlaufe 1 eingelegt. Die Schlaufe 1 wird im elastischen Bereich mittels in die Lager gesteckter Bolzen durch eine Spannvorrichtung derart erweitert, dass der Steg 2 eingeschoben werden kann. Danach wird die Schlaufe 1 entspannt, wobei sie den Steg 2 und die Lager 3, 4 unter der restlichen Vorspannung zusammenhält. Die derart aufgebaute Vorspannung reicht aus, um die Teile 2, 3 und 4 selbst bei den extremsten Betriebsbedingungen zusammenzuhalten. Ein geteiltes Lager 5, z.B. für nicht zusammensetzbare Kurbelwellen, ist in Fig. 3 gezeigt, wobei das Lager 5 diametral in zwei Hälften 6, 7 geteilt ist. Damit die beiden Hälften 6, 7 in der richtigen Stellung zusammengehalten werden, können deren Enden mit Keilen 8 (Fig. 3) oder Nuten versehen werden. Bei der Montage des Pleuels nach Fig. 1 und 3 auf die Kurbelwelle wird zunächst die eine Hälfte 7 des Lagerkörpers 5 auf die Kurbelwelle angeordnet und dann die Schlaufe 1 über die Kurbelwelle geschoben und auf die Hälfte 7 gelegt. Danach wird die andere Hälfte 6 mit der Hälfte 7 verbunden und die Schlaufe 1 mit dem Lagerkörper 4 unter Spannung gesetzt, wonach der Steg 2 eingesetzt werden kann. In der dargestellten Ausführung ist das Lager 5 längs einer Ebene 13 senkrecht zur Längsachse 14 des Stegs 2 geteilt. Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, kann die eine Hälfte 9 einstückig mit dem Steg 2 bzw. 10 ausgebildet sein. Die Montage lässt sich dann in ähnlicher Weise durchführen, wie bei der Ausführung nach Fig. 3. Damit der Flächendruck zwischen dem Steg 2 und den Lagerkörpern 3 und 4 nicht zu hoch wird, kann der Steg 2 an seinen beiden Enden mit einem Abschnitt 12 mit grösserer Dicke versehen werden, wie dies aus Fig. 5 hervorgeht. Für die Herstellung des Pleuels, Schäkels oder dergleichen kommen u.a. folgende Werkstoffe in Frage: Werkstoffbeispiele Schlaufe: Für die Uebertragung der Zugschwellspannungen sind z.B. verwendbar: - faserverstärkte Kunststoffe, mit Glas-, Carbon- oder Aramidfasern und Epoxiden, Polyimiden oder Phenolharzen - Band oder Drähte aus Metall, z.B. Stahldraht, eventuell in Verbindung mit einer Elastomer - Matrix, - faserverstärkte Metalle. Steg: Für die uebertragung der Druckschwellspannungen sind z.B. geeignet: - gegossene oder geschmiedete Eisen- oder Leichtmetalle - faserverstärkte Metalle, - Bleche aus Eisen oder Leichtmetall, - verstärkte Kunststoffe, z.B. bor- oder siliziumcarbid faserverstärkte Kunststoffe. Lager: Für die Lager sind z.B. geeignet: - Hochfeste Stahlrohre mit eingepresster Lagerschale oder mit aufgegossenem Lagermetall (Bimetall-Rchre), - Kunststoffrohre, z.B. aus kohlenfaserverstärktem Kunst stoff. Der beschriebene Pleuel hat gegenüber bestehenden Pleueln u.a. die folgenden Vorteile. Er a) lässt sich aus belastungsoptimierten Zug-, Druck- und Lagerelementen herstellen, b) lässt sich aus Einzelteilen in einem Baukastensystem zusammenbauen, c) hat keine Schraubverbindung und bietet dadurch zusätz liche Gewichts- und Sicherheitsvorteile, d) ist geeignet für eine Massenproduktion, und e) ermöglicht eine starke Reduktion der oszillierenden und rotierenden Masse. Das an Beispielen von Pleueln beschriebene, hybride Verbindungsglied ist auch für eine weitere Anzahl von Ver wendungen einsetzbar. Derartige Verbindungsglieder sind z.B. auch als Schäkel verwendbar, in denen das Verbindungsglied einer wechselnden Zug- und Druckbelastung ausgesetzt ist.

Claims: Patentansprüche 1. Hybrides Verbindungsglied für wechselnde Druck- und Zug beanspruchung, insbesondere Pleuel oder Schäkel, da durch gekennzeichnet, dass die Lager (3, 4) und Steg elemente (2) von einer Schlaufe (1) form- und kraft schlüssig umgeben und durch Vorspannung zusammengehal ten sind. 2. Verbindungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass es baukastenartig aus zwei Lagern (3,4), einem Steg (2) und einer Schlaufe (1) zusammengebaut ist. 3. Verbindungsglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass mindestens ein Lager (3, 5) vom Steg (2, 10) getrennt ist. 4. Verbindungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, dass beide Lager (4, 5) vom Steg (2) getrennt sind. 3. Verbindungsglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass mindestens ein Lager (5) längs einer Ebene (13) senkrecht zur Längsachse (14) des Stegele nentes (2) geteilt ist, und dass der am Stegelement (2) anliegende Teil (9) des Lagers (5) mit diesem ein stückig ausgebildet ist. 6. Verbindungsglied nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Schlaufe (1) aus faserverstärktem Kunststoff besteht. 7. Verbindungsglied nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Schlaufe (1) ganz oder teilweise aus Metall besteht. 8. Verbindungsglied nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, -dass der Steg (2) aus verstärktem Kunststoff besteht. 9. Verbindungsglied nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass der Steg (2) aus Metall besteht. 10. Verbindungsglied nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass die Lager (4, 5) derart ausgebildet sind, dass sie unter Vorspannung einen kreisrunden Innenum fang aufweisen. 11. Verfahren zur Herstellung des Verbindungsgliedes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Steg in die vorgespannte Schlaufe zwischen die Lager ein setzt und danach die äussere Vorspannung aufhebt. 12. Verfahren nach Anspruch 11 zur Herstellung eines Pleuels auf einer Kurbelwelle, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Schlaufe über die Kurbelwelle bis zu einem Kurbelzapfen zieht, und die Lager und den Steg unter Ausübung einer Vorspannung auf die Schlaufe darin anordnet, wobei der erforderliche Teil der Vorspannung nach dem Zusammenbau des Verbindungsgliedes bestehen bleibt. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schlaufe in biegsamer Form über die Kurbelwelle zieht. 14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlaufe um den Kurbelzapfen gefertigt wird. 15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlaufe direkt auf die Lager gewickelt und darauf ausgehärtet wird, und dass danach der Steg unter Vorspannung der Schlaufe eingesetzt wird. 16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung durch den Temperaturausgleich eines beim Zusammensetzen thermisch gegenüber der Schlaufe geschrumpften Stegs erfolgt.

Inventors: GUT, KARL, DR., DIPL.-CHEM.-ING., MEISTER, HERBERT, MOLNAR, LASZLO F., DIPL.-ING., VOEGELI, MARCEL, DR., VOGEL, WERNER, DIPL.-CHEM.
Applicants: GEORG FISCHER AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: F16C7
IPC codes: B29C70, F16C7, B29C53, F16B5