DE3928855A1

DE3928855A1 - Fibre reinforced plastic connecting rod - has optimised section framework with two eyes sepd. by two long members and brace between them

Info

Publication number: DE3928855A1
Application number: DE3928855A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Feser; Dieter Dipl Ing Barthel; Josef Dipl Ing Vonderau
Original assignee: Fichtel and Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1989-08-31
Publication date: 1991-03-07

Abstract

A connecting rod for use under tension and compression consists of two eyes at a distance from each other and sepd. by an open framework. The framework has two long members running tangential to the eyes with a brace between them in the central area. Long members can be parallel or inclined inwards towards the central brace. The connecting rod is produced by injection of a fibre reinforced plastic and the injection point lies on one of the eyes on the axis of symmetry. USE/ADVANTAGE - As a low mass connecting rod. Design is optimised to obtain greatest stiffness with the least material. Prod. is therefore cheaper.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zug-Druck-Strebe aus faser verstärktem Kunststoff sowie auf ein Verfahren zur Herstellung der Zug-Druck-Strebe im Spritzverfahren, welche zwei beabstande te, im wesentlichen kreisringförmige Augen aufweist, die über ei nen Schaft miteinander verbunden sind und wobei eine durch die Mittelpunkte der Augen gelegte Linie eine Symmetrieachse dar stellt.The invention relates to a tension-compression strut made of fiber reinforced plastic and a method of manufacture the push-pull strut, which is two distances apart te, substantially circular eyes that over egg NEN shaft are connected to each other and with one through the Center line of the eyes represents an axis of symmetry poses.

Eine Zug-Druck-Strebe der obengenannten Bauart ist beispielsweise aus der DE-OS 23 60 410 bekannt. Sie zeichnet sich durch die Mög lichkeit der einfachen Herstellung und ein niedriges Gewicht aus.A pull-push strut of the above type is for example known from DE-OS 23 60 410. It is characterized by the possibility ease of manufacture and a low weight.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Zug-Druck-Streben der obengenannten Bauart dahingehend zu optimieren, daß mit weniger Einsatz von Material Gewicht und Kosten reduziert werden und durch entsprechende Formgebung die Festigkeit zumindest erhalten bleibt.It is an object of the present invention to pull-push the optimize the above design so that with less Use of material weight and cost can be reduced and at least maintain the strength through appropriate shaping remains.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst. Durch Ausbildung des Schaftes der Zug- Druck-Strebe als offenes Fachwerk wird überall dort Material eingespart, wo dieses keinen oder praktisch keinen Beitrag zur Formstabilität leistet. Die beiden im Abstand zueinander verlau fenden Streben münden jeweils im wesentlichen tangential in den beiden Augen, über welche die Anbindung der Zug-Druck-Strebe er folgt. Im Bereich zwischen den beiden Augen sind die Streben über wenigstens eine Querstrebe untereinander verbunden. Dies gibt dem offenen Fachwerk eine zusätzliche Steifigkeit.According to the invention, this task is characterized by the characteristic of Main claim solved. By forming the shaft of the tensile Push struts as open trusses become material everywhere saved where this makes no or practically no contribution to Dimensional stability. The two are spaced apart fenden struts each essentially tangential in the two eyes, through which the connection of the tension-strut he follows. In the area between the two eyes, the struts are over at least one cross strut interconnected. This gives the open framework an additional rigidity.

Die Streben können dabei sowohl parallel als auch - zur Ermög lichung einer kompakteren Bauform - leicht geknickt verlaufen. Der Bereich des Knickes in den Streben ist vorzugsweise in der Mitte zwischen den beiden Augen angeordnet, und in diesem Bereich ist auch die Querstrebe vorgesehen.The struts can be both parallel and - to the of a more compact design - slightly bent. The area of the kink in the struts is preferably in the Arranged midway between the two eyes, and in that area the cross strut is also provided.

Es ist vorteilhaft, die Querstrebe mit einem geringeren Quer schnitt auszustatten, da sie sowieso durch den Bereich verläuft, der am wenigsten zur Formsteifigkeit beiträgt.It is advantageous to have the cross brace with a lower cross outfit because it runs through the area anyway, which contributes the least to the stiffness.

In den Augen sind vorteilhafterweise Lagerteile aus Metall einge spritzt. Diese weisen über ihre axiale Erstreckung im umgebenden Kunststoffmaterial eine unregelmäßige Materialstärke auf. Dies kann einerseits zur Bildung eines Formschlusses dienen und ande rerseits eine gezielte Beeinflussung der Elastizität des Lager teiles bewirken.Bearing parts made of metal are advantageously inserted in the eyes splashes. These have their axial extension in the surrounding area Plastic material has an irregular thickness. This can serve on the one hand to form a positive connection and others on the one hand, a targeted influence on the elasticity of the bearing to make a difference.

So kann beispielsweise bei einer Ausführung entsprechend An spruch 7 die Kantenpressung bei der Kraftübertragung zwischen ei nem Dorn und dem entsprechenden Lagerteil im Auge in den Endbe reichen herabgesetzt werden.For example, in the case of a version corresponding to An saying 7 the edge pressure in the power transmission between egg a mandrel and the corresponding bearing part in the eye in the endbe be reduced.

Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Außenkontur des Lager teiles kugelförmig auszubilden. Eine solche Ausführungsform er möglicht ein nachträgliches Ausrichten des Lagerteiles entweder in einem einmaligen Vorgang oder durch eine entsprechende Leicht gängigkeit.However, the outer contour of the bearing can also be advantageous form part spherical. Such an embodiment he possible subsequent alignment of the bearing part either in a one-time process or by an appropriate light Mobility.

In vorteilhafter Weise kann die Zug-Druck-Strebe als Pleuel für eine Brennkraftmaschine ausgebildet sein und das eine Lagerteil als Kolbenbolzenlager für den Kolben und das andere Lagerteil als Pleuellager für den Hubzapfen der Kurbelwelle dienen. Bei einer solchen Verwendung ist es vorteilhaft, das das Lagerteil für den Kolbenbolzen tragende Auge durch axiale Verlängerungen zu ver breitern, um gegenüber dem Kolben eine Abstandshaltung zu erzie len. The tension-compression strut can advantageously be used as a connecting rod for an internal combustion engine and the one bearing part as a piston pin bearing for the piston and the other bearing part as Conrod bearings are used for the crank pin of the crankshaft. At a such use, it is advantageous that the bearing part for Piston pin bearing eye to ver by axial extensions widen to keep a distance from the piston len.

Das Verfahren zur Herstellung einer Zug-Druck-Strebe sieht gemäß der Erfindung vor, daß der Einspritzpunkt für den mit Kurzfasern versehenen Kunststoff an einem der beiden Augen in der Symmetrie achse vorgesehen ist. Dieser Einspritzpunkt erfolgt bei Verwen dung sowohl als Zug-Druck-Strebe wie auch als Pleuel in einer Brennkraftmaschine in einem Bereich, der im Betrieb nur geringen Belastungen ausgesetzt ist. Weiterhin können sich die Kurzfasern im Kunststoff während des Einspritzvorganges im Bereich der Augen sowie der längsverlaufenden Streben ausrichten, um so für die ge wünschte Festigkeit zu sorgen. Bei Herstellung eines Pleuels ist es besonders vorteilhaft, den Einspritzpunkt an dem den Kolben bolzen tragenden Auge anzuordnen. Diese Anordnung bewirkt gegen Ende des Einspritzvorganges bei zunehmend ausgefüllten Hohlräumen eine Verdichtung des Materiales im Bereich dieses Auges, was zu einer entsprechenden Erhöhung der Festigkeit in diesem hoch bean spruchten Bereich führt.The process for producing a tension-compression strut is according to the invention that the injection point for the short fibers provided plastic on one of the two eyes in symmetry axis is provided. This injection point takes place at Verwen as a tension-compression strut as well as a connecting rod in one Internal combustion engine in an area that is only marginal in operation Is exposed to stress. Furthermore, the short fibers can in the plastic during the injection process in the area of the eyes as well as the longitudinal struts, so that the ge desired strength to provide. When producing a connecting rod it is particularly advantageous to have the injection point at the piston to arrange the bolt-bearing eye. This arrangement works against End of the injection process with increasingly filled cavities a compression of the material in the area of this eye, leading to a corresponding increase in strength in this high bean area.

Die Erfindung wird anschließend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen im einzelnenThe invention will then be described using exemplary embodiments explained in more detail. It show in detail

Fig. 1 die Ansicht einer Zug-Druck-Strebe mit parallel verlaufen den Streben; Figure 1 shows the view of a tension-compression strut with parallel struts.

Fig. 2 bis 4 Ansicht und Schnitte einer Zug-Druck-Strebe, die vorzugsweise als Pleuel für eine Brennkraftmaschine ausge bildet ist; Fig. 2 to 4 view and sections of a tension-compression strut, which is preferably out as a connecting rod for an internal combustion engine;

Fig. 5 bis 7 verschiedene Varianten von Querschnittsausgestaltun gen der eingespritzten Lagerteile. Fig. 5 to 7 show different variants of the injected Querschnittsausgestaltun bearing parts gen.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Zug-Druck-Strebe 1. Sie besteht aus zwei voneinander beabstandeten Augen 2 und 3, die durch Streben 5 bzw. 6 untereinander verbunden sind. Die Stre ben 5 und 6 verlaufen jeweils tangential aus dem einen Auge he raus und tangential in das gegenüberliegende Auge hinein. Beide Streben 5 und 6 verlaufen im wesentlichen parallel zueinander, wobei die Parallelität dann nicht exakt gegeben ist, wenn die Augen 2 bzw. 3 unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die Zug- Druck-Strebe 1 weist eine Symmetrieachse 4 auf, die jeweils durch die Achsen 13 bzw. 14 der Augen 2 bzw. 3 verläuft. Die Achsen 13 bzw. 14 verlaufen üblicherweise senkrecht zur Symmetrieachse 4. In den beiden Augen 2 bzw. 3 ist jeweils ein Lagerteil 8 einge setzt, welches beispielsweise aus Metall besteht und mit den nicht dargestellten Verbindungselementen der Zug-Druck-Strebe 1 zusammenwirkt. Etwa in der Mitte zwischen den beiden Achsen 13 und 14 ist eine Querstrebe 7 angeordnet, welche die beiden Stre ben 5 und 6 miteinander verbindet. Diese Querstrebe 7 vergrößert die Belastungsfähigkeit der Zug-Druck-Strebe 1, wobei die Berei che zwischen den Streben 5 und 6 einerseits sowie zwischen der Querstrebe 7 und den Augen 2 bzw. 3 andererseits offen ausge führt sind - entsprechend einem offenen Fachwerk. Die Zug-Druck- Strebe wird in einer zweiteiligen temperierten Form durch Ein spritzen eines faserverstärkten Kunststoffes hergestellt, wobei vorzugsweise Kohlenstoff-Kurzfasern Verwendung finden. Der Ein spritzpunkt P erfolgt dabei an einem der beiden Augen 2 oder 3 im Bereich der Symmetrieachse 4, da hier bei Zug- bzw. Druckbe aufschlagung die geringste Materialbelastung stattfindet und da her an dieser Stelle die Ausrichtung der Kurzfasern nicht be deutsam ist. Die Querstrebe 7 weist vorzugsweise einen geringeren Querschnitt als die Streben 5 und 6 auf, so daß während des Ein spritzvorganges eine optimale längsgerichtete Faserorientierung über die gesamte Länge beibehalten werden kann. Die Lagerteile 8 werden vor dem Einspritzvorgang in die zweiteilige Form einge legt und während des Einspritzvorganges mit umspritzt. Sie weisen bestimmte Außenkonturen auf, die in nachfolgenden Figuren noch näher beschrieben werden. Fig. 1 shows the basic configuration of a train-pressure strut 1. It consists of two spaced apart eyes 2 and 3 , which are connected to one another by struts 5 and 6, respectively. The struts 5 and 6 each extend tangentially out of one eye and tangentially into the opposite eye. Both struts 5 and 6 run essentially parallel to one another, the parallelism not being given exactly when the eyes 2 and 3 have different diameters. The tension-compression strut 1 has an axis of symmetry 4 which runs through the axes 13 and 14 of the eyes 2 and 3 , respectively. The axes 13 and 14 usually run perpendicular to the axis of symmetry 4 . In the two eyes 2 and 3 , a bearing part 8 is inserted, which consists for example of metal and interacts with the connecting elements, not shown, of the tension-strut 1 . Approximately in the middle between the two axes 13 and 14 , a cross strut 7 is arranged which ben ben 5 and 6 connects each other. This cross strut 7 increases the load capacity of the tension-compression strut 1 , the areas between the struts 5 and 6 on the one hand and between the cross strut 7 and the eyes 2 and 3 on the other hand are open - corresponding to an open framework. The tension-compression strut is produced in a two-part tempered form by injecting a fiber-reinforced plastic, preferably short carbon fibers being used. The injection point P takes place on one of the two eyes 2 or 3 in the region of the axis of symmetry 4 , since the slightest material load takes place here when tension or pressure is applied and since the orientation of the short fibers is not significant at this point. The cross strut 7 preferably has a smaller cross section than the struts 5 and 6 , so that an optimal longitudinal fiber orientation can be maintained over the entire length during the injection process. The bearing parts 8 are placed in the two-part form before the injection process and are extrusion-coated during the injection process. They have certain outer contours, which are described in more detail in the following figures.

In den Fig. 2 bis 4 sind die Ansicht sowie die Schnitte III-III und IV-IV einer Zug-Druck-Strebe 1 dargestellt, welche vorzugs weise als Pleuel für eine Brennkraftmaschine Verwendung findet. Diese Zug-Druck-Strebe weist gegenüber derjenigen von Fig. 1 geknickte Streben 5 bzw. 6 auf, die etwa in der Mitte zwischen den Achsen 13 bzw. 14 einen geringsten Abstand voneinander auf weisen und in diesem Bereich durch die Querstrebe 7 miteinander verbunden sind. Ansonsten laufen auch hier die Enden der Stre ben 5 und 6 tangential in die Augen 2 bzw. 3 ein. Die Symmetrie achse 4 verläuft längs durch die beiden Achsen 13 bzw. 14. In die Augen 2 bzw. 3 sind auch hier Lagerteile 8 eingespritzt, welche als Lageraußenringe von vorzugsweise Wälzlagern dienen, wobei im Auge 2 der Kolbenbolzen des Kolbens und im Auge 3 der Hubzapfen der Kurbelwelle gelagert ist. Der Einspritzpunkt P ist hier am Auge 2 angeordnet, da gegen Ende des Einspritzvorganges durch den Rückstau in diesem Bereich eine besonders hohe Dichte erzielt werden kann, welche eine besonders hohe Festigkeit gewährleistet. Dies ist bei Verwendung des vorliegenden Bauteiles als Pleuel wünschenswert, da insbesondere bei Anwendung in schnell laufenden Zweitakt-Brennkraftmaschinen die höchsten Zugkräfte in den Quer schnittsbereichen auftreten, die senkrecht zur Symmetrieachse durch die Achse 13 festgelegt sind.In Figs. 2 to 4, the view and the sections III-III and IV-IV are a train-pressure strut 1 shown which preferential example is used as a connecting rod for an internal combustion engine. This train-pressure strut has advantages over that of FIG. 1 bent struts 5 and 6, respectively, which are connected approximately in the middle between the axes 13 and 14, a smallest distance from each other on wise and in this area through the cross member 7 to each other . Otherwise, the ends of the struts 5 and 6 run tangentially into the eyes 2 and 3, respectively. The axis of symmetry 4 runs longitudinally through the two axes 13 and 14 . Bearing parts 8 are also injected into the eyes 2 and 3 , which serve as bearing outer rings of preferably roller bearings, the piston pin of the piston being mounted in eye 2 and the crank pin of the crankshaft in eye 3 . The injection point P is arranged here on the eye 2 , since towards the end of the injection process a particularly high density can be achieved in this area due to the back pressure, which ensures a particularly high strength. This is desirable when using the present component as a connecting rod, since the highest tractive forces occur in the cross-sectional areas, in particular when used in fast-running two-stroke internal combustion engines, which are defined perpendicular to the axis of symmetry by the axis 13 .

Fig. 3 zeigt den Längsschnitt III-III durch die Zug-Druck-Stre be 1 und Fig. 4 den Schnitt IV-IV gem. Fig. 2 durch die Quer strebe 7. In beiden Schnitten ist zu sehen, daß die Querstrebe 7 einen kleineren Querschnitt als die Streben 5 bzw. 6 aufweist. Weiter kann aus Fig. 3 entnommen werden, daß die Lagerteile 8 zur formschlüssigen Befestigung mit den Augen 2 bzw. 3 an ihrem Au ßenumfang mit einer umlaufenden Nut versehen sind, so daß - in Achsrichtung gesehen - die Lagerteile 8 in den äußeren Bereichen verstärkt ausgeführt sind. Fig. 3 shows the longitudinal section III-III be through the train-push-Stre 1 and Fig. 4 shows the section IV-IV acc. Fig. Strut 2 by the cross. 7 In both sections it can be seen that the cross strut 7 has a smaller cross section than the struts 5 or 6 . It can also be seen from Fig. 3 that the bearing parts 8 for positive fastening with the eyes 2 and 3 are provided on their outer circumference with a circumferential groove, so that - seen in the axial direction - the bearing parts 8 are made reinforced in the outer regions are.

Eine vergrößerte Darstellung des Schnittes durch das Auge 2 geht aus Fig. 5 hervor. Der Innendurchmesser des Lagerteiles 8 ist zy lindrisch und konzentrisch zur Achse 13 ausgeführt und dient der Aufnahme eines Wälzlagers zur Führung des Kolbenbolzens. Entspre chend ist natürlich auch der Innendurchmesser des Lagerteiles 8 zylindrisch und konzentrisch zur Achse 14 ausgebildet und dient ebenfalls zur Aufnahme eines Wälzlagers gegenüber dem Hubzapfen der Kurbelwelle.An enlarged representation of the section through the eye 2 is shown in FIG. 5. The inner diameter of the bearing part 8 is zy-cylindrical and concentric to the axis 13 and serves to accommodate a rolling bearing for guiding the piston pin. Correspondingly, of course, the inner diameter of the bearing part 8 is cylindrical and concentric with the axis 14 and also serves to receive a rolling bearing relative to the crank pin of the crankshaft.

Eine andere Ausführung zeigt Fig. 6, bei welcher das Lagerteil 9 in seinem Außenumfang so gestaltet ist, daß eine umlaufende Ver stärkungsrippe im mittleren Bereich um die Symmetrieachse 4 herum angeordnet ist, die beiden axial verlaufenden Endteile jedoch relativ dünnwandig ausgeführt sind. Eine solche Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, wenn Kantenpressungen in der Lagerung ge genüber dem Kolbenbolzen zu den axialen Endbereichen hin abgebaut werden sollen. Another embodiment is shown in FIG. 6, in which the bearing part 9 is designed in its outer circumference in such a way that a circumferential reinforcement rib is arranged in the central region around the axis of symmetry 4 , but the two axially extending end parts are designed to be relatively thin-walled. Such an embodiment can be advantageous if edge pressures in the bearing are to be reduced in relation to the piston pin towards the axial end regions.

Eine weitere Variante geht aus Fig. 7 hervor. Hier ist im Auge 2 ein Lagerteil 10 eingespritzt, welches eine kugelförmige Außen kontur mit einem Radius R, der vom Schnittpunkt zwischen der Sym metrieachse 4 und der Achse 13 ausgeht, aufweist. Bei einer sol chen Ausgestaltung ist es in besonderen Fällen möglich, nach dem Einspritzvorgang das Lagerteil 10 durch einen durchgesteckten Dorn mit seiner Achse 13 gegenüber der Symmetrieachse 4 auszu richten. Bei Verwendung des Bauteiles als reine Zug-Druck-Strebe ist es sogar möglich, die Beweglichkeit des Lagerteiles 10 gegen über dem Auge 2 auch im Betrieb aufrechtzuerhalten, wenn die Be triebsbedingungen dieses fordern bzw. erlauben. Weiterhin ist diesem Schnitt zu entnehmen, daß in Achsrichtung an das Auge 2 einteilig Verlängerungen 11 angespritzt sind, welche im vorlie genden Fall als Abstandshalter gegenüber der Innenwandung des Kolbens dienen. Diese Abstandshalter 11 sind durch Einschnitte 12 unterbrochen, welche Gasaustausch und Schmiermittelzufuhr ermög lichen.Another variant is shown in FIG. 7. Here in the eye 2 a bearing part 10 is injected, which has a spherical outer contour with a radius R, which starts from the point of intersection between the symmetry axis 4 and the axis 13 . In such a configuration, it is possible in special cases to align the bearing part 10 with its axis 13 with respect to the axis of symmetry 4 after the injection process by means of a plug-in mandrel. When using the component as a pure tension-compression strut, it is even possible to maintain the mobility of the bearing part 10 with respect to the eye 2 even during operation if the operating conditions require or allow it. Furthermore, it can be seen from this section that extensions 11 are integrally molded onto the eye 2 in the axial direction, which, in the case before, serve as spacers with respect to the inner wall of the piston. These spacers 11 are interrupted by incisions 12 , which allow gas exchange and lubricant supply.

Claims

1. train-pressure strut made of fiber-reinforced plastic and procedural ren for the production of the train-pressure strut in the spray process, which has two spaced, substantially annular Au gene, which are connected to each other via a shaft and one through the centers of the eyes line drawn represents an axis of symmetry, characterized in that the shaft ( 5 , 6 , 7 ) is designed as an open truss - with two mutually opposite struts ( 5 , 6 ), each approximately tangential from one eye ( 2 ) to the other ( 3 ) run -, and that at least one cross strut ( 7 ) is provided which connects the two struts ( 5 , 6 ) with each other.

2. train-pressure strut according to claim 1, characterized in that the struts ( 5 , 6 ) are slightly bent, in such a way that both - each starting from the eye ( 2 , 3 ) - towards the center between both eyes to run towards each other, preferably in the middle area the smallest distance from each other and there connected to each other via the cross strut ( 7 ).

3. tension-compression strut according to claims 1 and 2, characterized in that the cross strut ( 7 ) has a smaller cross section than the struts ( 5 , 6 ).

4. train-pressure strut according to claims 1 to 3, characterized in that in the eyes ( 2 , 3 ) bearing parts ( 8 , 9 , 10 ) made of metal are used.

5. train-pressure strut according to claims 1 to 4, characterized in that the bearing parts ( 8 , 9 , 10 ) over their axial He stretching in the surrounding plastic material have an irregular material thickness.

6. tension-compression strut according to claims 1 to 5, characterized in that the material cross-section in the direction of the axis ( 13 , 14 ) of the eyes ( 2 , 3 ) is designed such that in both axial end regions, the material ( 8 ) is reinforced.

7. tension-compression strut according to claims 1 to 5, characterized in that the material cross-section in the direction of the axis ( 12 , 13 ) of the eyes ( 2 , 3 ) is designed such that in the axially central region, the material ( 9 ) is reinforced.

8. train-pressure strut according to claim 7, characterized in that the outer contour of the bearing part ( 10 ) is spherical.

9. train-pressure strut according to claims 1 to 8, characterized is characterized as a connecting rod for an internal combustion engine is formed and a bearing part as a piston pin bearing for the Piston and the other bearing part as a connecting rod bearing for the stroke journal of the crankshaft is used.

10. train-pressure strut according to claim 9, characterized in that the bearing part ( 8 , 9 , 10 ) for the piston pin bearing eye ( 2 ) by axial extensions ( 11 ) leads out widened, namely to maintain a distance from Piston.

11. A method for producing a tension-compression strut according to claims 1 to 10, characterized in that the two bearing parts ( 8 , 9 , 10 ) are inserted and fixed in a two-part, tempered form, the two parts of the mold ge closed, the short-fiber plastic he heats and is injected into the mold, the injection point (P) being provided on one of the two eyes ( 2 , 3 ), namely in the axis of symmetry ( 4 ), and the workpiece ( 1 ) is molded after hardening.

12. The method according to claim 11, characterized in that in particular when used as a connecting rod, the injection point (P) on the piston pin bearing eye ( 2 ) is arranged.