CN110121407A - 线材及制备线材的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种线材(10)。线材(10)沿纵向延伸方向(22)延伸，其中线材(10)具有围绕纵向延伸方向(22)布置的第一层结构(24)和围绕第一层结构(24)的第二层结构(32)，其中第一层结构(24)包含第一多层(26)，其中第一层结构(24)的各层(26)具有多根纤维(28)，其中第二层结构(32)包含第二多层(34)，其中第二层结构(32)的各层(34)具有多根纤维(36)，其中第一多层(26)的纤维(28)和第二多层(34)的纤维(36)各自在纵向延伸方向(30，38)上延伸，其中第一多层(26)的纤维(28)和第二多层(34)的纤维(36)的纵向延伸方向(30)各自相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以30°至60°且优选40°至50°大小的角度取向，其中第一多层(26)的纤维(28)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以这样的方式延伸，使得在线材(10)的指定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向(30)上承受纵向压缩载荷，其中第二多层(34)的纤维(36)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以这样的方式延伸，使得在线材(10)的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向(38)上承受纵向拉伸载荷，其中第一多层(26)的相邻层(26)的纤维(28)的纵向延伸方向(30)彼此相差0°至10°、优选2°至10°且更优选2°至6°大小的角度，其中第二多层(34)的相邻层(34)的纤维(36)的纵向延伸方向(38)彼此相差0°至10°、优选2°至10°且更优选2°至6°大小的角度。还提供一种用于制备线材(10)的方法。

Description

线材及制备线材的方法
本发明涉及一种线材(strand profile)以及制备线材的方法。
线材用于许多技术领域。例如，在汽车工程领域中，金属线材弯曲成螺旋弹簧的形式。然而，需要减轻弯曲线材的重量。例如，需要减轻用于机动车辆的弹簧的重量，从而整体上减轻车辆的重量，这可减少车辆的能源消耗和污染物排放。
重量可例如通过使用纤维增强材料，即所谓的纤维复合材料来减轻。纤维增强材料包含作为增强材料的纤维和纤维嵌入其中的基质体系或基质材料作为主要组分。纤维通常基于玻璃、碳、芳族聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯或聚酰胺。作为基质体系，通常使用热固性聚合物，例如聚酯树脂、乙烯基酯树脂、聚氨酯树脂或环氧树脂，或热塑性聚合物，例如聚酰胺、聚丙烯或聚乙烯。
已知用于制备纤维增强线材的各种方法。在常规的拉挤成型方法中，纤维从卷轴上展开，用基质体系浸渍或以其他方式润湿，设置成所需的型材形式，并固化。此处，纤维本身可形成型材形式，或其可应用于主体。该方法通常借助于装置连续拉伸由浸渍纤维形成的工件而连续进行。
在所谓的长丝缠绕方法(filament winding process)的情况下，纤维同样从卷轴上展开并用基质体系浸渍或以其他方式润湿。然而，在标准形式中，这是不连续的过程，其中将待包覆的芯或主体旋转，并且通过轴向往复运动将纤维引导并缠绕到工件上，直至达到纤维-塑料层的所需厚度。
所谓的拉绕方法(pull winding process)是拉挤成型和长丝缠绕方法的结合。将线材形式的工件借助于装置拉伸，同时将纤维卷轴围绕工件旋转，将纤维浸渍或润湿，并且将润湿的纤维布置在工件上。此处，润湿也可首先在工件上进行。线材形式的工件可为预成型的主体，例如管，但是它也可由纤维形成，所述纤维在第一阶段(例如在拉挤成型方法中)被设置成型材形式。
通常，所述线材借助于由缠绕在芯上的复合材料组成的多个层而制备。复合材料层由嵌入聚合物基质中的纤维组成。由此制备的线材可任选地被包覆。此外，线材可弯曲，例如弯曲成螺旋弹簧的形式。
DE 38 24 933 A1公开了一种具有高比负载能力(specific load capacity)的由两个管状体组成的管状可扭转弹簧元件，所述管状体同心地一个布置在另一个内并由以0°至90°的角度布置的纤维、线、杆或薄片形成，其中管状体的缠绕方向相反，并且在扭转载荷下，除扭转外，内部管状体膨胀且外部管状体收缩，两个管状体至少在限定的扭转载荷之上彼此支撑。具有有限弹性的绝缘层布置在管状体之间；此外，两个管状体在其端部各自与一个共同的力引入部件连接。
EP 0 145 810 A1公开了一种由多个同轴层构成的弹性轴，所述同轴层由平行的纤维组成，其中相邻层的纤维彼此交叉。所述轴可用塑料包覆。在扭转载荷下，所述轴的所有纤维均承受拉伸或压缩载荷。可选择纤维布置，使得无论层直径如何，纤维载荷大致相等。
EP 0 637 700 A2公开了一种由碳纤维增强合成树脂组成的螺旋弹簧，其具有以螺旋方式缠绕且由碳纤维增强合成树脂组成的绳线，其中碳纤维相对于绳线的轴以±30°至±60°的角度取向。碳纤维A和B的量的比值为1.1<A/B<4.0，其中A为在纤维纵向上施加压缩力的方向上取向的碳纤维的量，且B为在纤维纵向上施加拉力的方向上取向的碳纤维的量。
JP 2006-226327 A公开了一种由纤维增强塑料制备的螺旋弹簧，并且在该情况下弹簧材料具有多层纤维增强塑料，其中纤维束由碳纤维或浸渍有合成树脂的碳纤维组成，所述碳纤维在与芯的轴向相同的方向上以预定角度缠绕在直芯上。
US 5,603,490 A公开了一种具有螺旋纤维缠绕的纤维增强塑料弹簧，更具体地说，一种圆柱形扭杆或螺旋形拉伸或压缩弹簧，其具有非增强的、轴向纤维增强的或加捻纤维增强的芯，并且具有连续纤维增强复合材料层，所述层的大部分或全部纤维以螺旋方式围绕芯排列。芯可为实心的或中空的。
选择螺旋形缠绕的方向，使得当弹簧按预期使用时，纤维在纵向方向上处于应力下。约为55°的层纤维缠绕螺距角(pitch angle)用于软的且未增强的芯，而更大或更小的螺距角仅用于具有足够刚度的芯以抵抗轴向正应力。
WO 2014/014481 A1公开了一种具有沿螺旋轴延伸的螺旋体的复合材料螺旋弹簧。螺旋体具有芯和多个纤维层，所述纤维层浸渍有聚合物材料。多个纤维层围绕芯以与螺旋轴不同的径向间距布置。多个纤维层中的每一个均围绕螺旋轴相对于纤维轴成锐角延伸。多个纤维层中的每一个均包括多根纤维，其等于纤维的共同基数(common basenumber)乘以来自一组非零正整数的非零正整数的乘积。多个纤维层中的至少一层的非零正整数不同于多个纤维层中的至少另一层的非零正整数。
FR 2859735 A1公开了一种用于机动车辆的具有两层或多层纤维的弹簧，所述纤维围绕芯以相反方向缠绕。
FR 2602461 A1公开了一种用于制备由复合材料制备的螺旋弹簧的方法。
尽管已知的线材及其制备方法具有许多优点，但是仍存在如前所述的改进需求。特别是，需要进一步减轻重量，同时实现其他方面相同或甚至提高的性质特征。
因此，目的是进一步开发已知线材及制备线材的方法，使得线材具有提高的疲劳强度和降低的剪切模量。
所述目的根据本发明通过具有独立权利要求的特征的线材和方法而实现。在从属权利要求中详细说明了有利的改进。
本发明的基本构思基于以下认识：线材并且特别是螺旋弹簧的所需重量可以——在材料方面——通过使用具有更高剪切强度和更低剪切模量的材料进一步减轻。本发明的另一基本构思是形成具有厚层结构的线材，其中在每种情况下拉伸方向上的纤维和压缩方向上的纤维布置在一起，并且其中在纤维层内在拉伸方向和压缩方向上，纤维角度相对于线材的延伸方向轻微逐层调整约一个平均角度。拉伸方向上的纤维优选位于外侧。
本发明的线材具有外形横截面并且沿轴延伸，所述轴也可为弯曲的。轴的方向称为线材的纵向延伸方向。线材包含围绕线材的纵向延伸方向布置的第一层结构和围绕第一层结构的第二层结构。第一层结构包含第一多层，第一层结构的各层具有多根纤维。第二层结构包含第二多层，第二层结构的各层具有多根纤维。第一多层的纤维和第二多层的纤维各自在纤维的纵向延伸方向上延伸。第一多层的纤维和第二多层的纤维的纵向延伸方向各自相对于线材的纵向延伸方向以30°至60°、并且优选40°至50°大小的角度取向。第一多层的纤维相对于线材的纵向延伸方向以这样的方式延伸，使得在线材的给定(setpoint)扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向上承受纵向压缩载荷。第二多层的纤维相对于线材的纵向延伸方向以这样的方式延伸，使得在线材的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向上承受纵向拉伸载荷。第一多层的相邻层的纤维的纵向延伸方向彼此相差0°至10°、优选2°至10°甚至更优选2°至6°大小的角度。第二多层的相邻层的纤维的纵向延伸方向彼此相差0°至10°、优选2°至10°甚至更优选2°至6°大小的角度。
在本发明的上下文中，线材应理解为意指通过缠绕纤维，使用至少一种基质材料浸渍纤维并且使纤维成型以形成预定型材而形成的工件。因此，线材由至少一种纤维复合材料制备。例如，第一层结构和第二层结构由不同或相同的纤维复合材料制备。在本发明的上下文中，线材特别地为通过拉挤成型方法、长丝缠绕方法或拉绕方法制备的工件。然而，其也可以通过一些其他方法制备，例如缠绕预浸渍的纤维稀松布(scrim)以形成管。可预先将工件切割成特定长度，但是它也可以以最初长度不定的管状材料形式存在。工件的横断面图在其长度上可为恒定的或可变的。横断面图仅受限于这样的事实，即其最大程度必须小于用于制备线材的装置的通道孔的横截面。工件可为中空的或密实的。
在本文中，纵向延伸方向应理解为意指在平行于相应部件的最长尺寸(例如线材的轴，其也可为弯曲的)的方向或纤维的方向上的延伸。
在本发明的上下文中，层应理解为意指具有特定厚度的均匀质量的面积范围，所述厚度远小于构成面积范围的尺寸。
在本发明的上下文中，层结构应理解为意指其中多个层以一层在另一层之上的方式布置的形式或结构。
在本发明的上下文中，纤维应理解为意指线性的、柔性的基本结构，其由纤维材料组成并且具有相对于其长度较细的外观纤维形式。纤维可为(准)无端的或有限长度的。在没有包覆基质支撑的情况下，纤维在纵向方向上不能承受压缩力而仅承受拉伸力，因为它们在压缩载荷下弯曲。
在本发明的上下文中，扭转应理解为意指平行于基底表面并且相对于主体的侧表面相切地作用的力的作用，并且所述力主要围绕其纵向轴扭曲线材。
在本发明的上下文中，给定扭转载荷应理解为意指线材在扭转下的应力相容载荷。换句话说，扭转下的载荷作用在旋转方向上，为此，将线材设计成在所述旋转方向上在扭转下负载。
因此，提供一种线材结构，其中第一层结构在向外方向上被第二层结构包围。第一层结构和第二层结构均由以一层在另一层之上的方式布置的多个层形成。每一层具有多根纤维。因此，第一层结构被第二层结构的层包围。在本文中，第一层结构的层纤维的绕法(winding)或螺距不同于与第二层结构的层纤维有关的绕法或螺距。换句话说，第一层结构的层纤维是右旋取向的，第二层结构的层纤维是左旋取向的，反之亦然。因此，代替其中具有不同绕法的纤维的层以一层在另一层之上的方式交替布置的所谓的细层(fine-layer)结构，提供粗层(coarse-layer)结构，其中提供具有相同绕法的纤维的各层一层位于另一层之上的第一布置，然后在所述第一布置上提供具有相同绕法的纤维的各层的第二布置，其中第一布置的纤维的绕法不同于第二布置的纤维的绕法。这种结构提高了疲劳强度并降低了剪切模量。
此外，各个层结构的相邻层的纤维的取向彼此略微不同。换句话说，第一层结构的各层的纤维不是彼此平行取向的，而是恰好以锐角交叉，如在层的平面图中所示。同样地，第二层结构的各层的纤维不是彼此平行取向的，而是恰好以锐角交叉，如在层的平面图中所示。这种结构具有止裂作用(crack-stopping action)。
第二层结构可包含比第一层结构更多的纤维。因此，提供了比可承受压缩载荷的纤维更多的可承受拉伸载荷的纤维。这可以通过包含比第一层结构更多的层的第二层结构来实现，其中每层的纤维数相同。通过这种结构，线材可承受更大的扭转载荷。
例如，第二多层的纤维数比第一多层的纤维数多1.5至9倍、优选1.5至4倍、特别优选2至3倍。由此，获得可承受特别高的扭转载荷的线材。
第一多层和第二多层可具有不同的纤维体积分数。相对于第一层结构的体积，第一多层可具有40％至70％的纤维体积分数，以便作为尽可能刚性的复合材料横向支撑在纵向上受到压缩的纤维；并且相对于第二层结构的体积，第二多层可具有35％至60％的纤维体积分数，以使在纵向上受到拉伸的纤维在相对软的环境中受到保护，以防止微裂纹的扩展以及由微裂纹导致的缺口。
第一多层的纤维可嵌入第一基质材料中。第二多层的纤维可嵌入第二基质材料中。在本文中，第二基质材料不同于第一基质材料。因此，第一基质材料具有高刚度和大于2.9GPa的拉伸模量，以横向支撑在纵向上受到压缩的纤维，而第二基质材料具有高延展性，以阻止在纵向上受到拉伸的纤维中可能出现的微裂纹。
在本发明的上下文中，基质材料应理解为意指适于在铺设后将纤维固定在其位置的任何材料。作为基质材料，通常使用热固性聚合物，例如聚酯树脂、乙烯基酯树脂、聚氨酯树脂或环氧树脂，或热塑性聚合物，例如聚酰胺、聚丙烯或聚乙烯，其优选结合高软化温度、耐介质性、疲劳强度和易加工性。
如果第一层结构通过浸渍剂不可渗透的层与第二层结构分离，则第一多层的纤维和第二多层的纤维可使用不同的浸渍剂浸渍。所述层具有止裂作用，使得第一层结构中可能的裂纹不能扩展到第二层结构，反之亦然。
在本发明的上下文中，浸渍剂基本上应理解为意指任何基质材料，其通过固化，例如通过聚合，使得纤维和层彼此粘合，从而固化纤维复合材料。在本发明的上下文中，作为浸渍剂，特别地使用基于单体或基于聚合物的液体。特别地，浸渍剂可为在加工时为液体的基质材料，如基于例如聚氨酯、聚酯、乙烯基酯、环氧树脂的反应性液体热固性体系，或基于己内酰胺、聚丙烯酸的反应性热塑性体系，或基于例如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺的热塑性熔体。
第二层结构的纤维可形成为长丝直径小于第一层结构的纤维的长丝直径的粗纱，这是因为以此方式可在纵向上承受拉伸载荷的纤维的区域中获得更高的拉伸强度。
在本发明的上下文中，粗纱应理解为意指由平行布置的长丝组成的束、线(strand)或复丝纱，即无端纤维。优选地，在本发明的上下文中，将由玻璃制成的长丝结合形成粗纱，但是在本发明的上下文中基本上也可使用其他材料，例如芳族聚酰胺或碳。
线材可具有芯，其上布置有第一层结构。所述芯可为加捻纤维、实心芯、被包覆的实心芯、中空芯或被包覆的中空芯的布置。
在本发明的上下文中，芯应理解为意指被提供用于铺设纤维的部件或元件。换句话说，芯可为具有可在其上铺设纤维的铺设表面的任何部件或元件。
在加捻纤维的情况下，纤维被捻在一起。因此，基本上可在本发明范围内使用多种类型的芯。本文中，芯的横截面优选为圆形，但是基本上可为卵形、椭圆形、多边形或具有圆角的多边形。中空芯相对于实心芯减轻了重量。
第一层结构优选由第一多层组成，第二层结构优选由第二多层组成。因此确定了特别持久稳定的线材。
线材可弯曲。因此获得更多种形式。
线材可弯曲成螺旋弹簧的形式。这种类型的螺旋弹簧是持久稳定的，并且比由金属或钢组成的螺旋弹簧重量轻得多。
螺旋弹簧可具有至少螺距H、弹簧直径D和螺距角α，比值tanα＝H/(π*D)不大于0.22并且优选不大于0.21。已证明这种特定的几何结构是特别持久稳定的，这是因为线材的横截面主要承受扭转载荷并且在较小程度上承受弯曲载荷。明确指出，螺旋弹簧的所有线圈(winding)的螺距不需为恒定的，而是在不同的线圈部分可变化。例如，螺旋弹簧外端的线圈的螺距小于螺旋弹簧的中心区域的线圈的螺距。
线材可设计为右旋压缩弹簧或左旋拉伸弹簧。在本文中，第一多层的纤维的纵向延伸方向相对于线材的纵向延伸方向以40°至50°大小的角度右旋取向，并且第二多层的纤维的纵向延伸方向相对于线材的纵向延伸方向以40°至50°大小的角度左旋取向。已证明第一和第二多层中的这种纤维形式的组合可特别有效地承受扭转载荷。
或者，线材可设计为左旋压缩弹簧或右旋拉伸弹簧。在本文中，第一多层的纤维的纵向延伸方向相对于线材的纵向延伸方向以40°至50°大小的角度左旋取向，并且第二多层的纤维的纵向延伸方向相对于线材的纵向延伸方向以大小40°至50°大小的角度右旋取向。已证明第一和第二多层中的这种纤维形式的组合可特别有效地承受扭转载荷。
优选第一多层的纤维和第二多层的纤维为玻璃纤维。这种纤维特别容易加工且持久稳定，并且具有高的疲劳强度。
在本发明的上下文中，玻璃纤维应理解为意指由玻璃组成的细长纤维。为制备所述玻璃纤维，将细丝从玻璃熔体中拉出。
本发明的用于制备线材、优选如上所述的本发明的线材的方法包括：
(i)提供芯，其沿纵向延伸方向延伸从而限定线材的纵向延伸方向，
(ii)围绕芯布置第一层结构，所述第一层结构由第一多层形成，第一层结构的各层具有多根纤维，
(iii)围绕第一层结构布置第二层结构，所述第二层结构由第二多层形成，第二层结构的各层具有多根纤维，第一多层的纤维和第二多层的纤维各自在纵向延伸方向上延伸，第一多层的纤维和第二多层的纤维的纵向延伸方向各自相对于线材的纵向延伸方向以30°至60°、且优选40°至50°大小的角度取向，第一多层的纤维相对于线材的纵向延伸方向以这样的方式延伸，使得在线材的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向上承受纵向压缩载荷，第二多层的纤维相对于线材的纵向延伸方向以这样的方式延伸，使得在线材的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向上承受纵向拉伸载荷，第一多层的相邻层的纤维的纵向延伸方向彼此相差0°至10°、优选2°至10°且甚至更优选2°至6°大小的角度，第二多层的相邻层的纤维的纵向延伸方向彼此相差0°至10°、优选2°至10°且甚至更优选2°至6°大小的角度，和
(iv)移除芯或将芯保留在第一层结构中。
因此，提供了一种制备线材的方法，所述线材具有这样的结构：其中在内部存在一个芯，该芯在向外的方向上被第一层结构包围，并且此后被第二层结构包围。第一层结构和第二层结构均由以一层在另一层之上的方式布置的多个层形成。每一层具有多根纤维。因此，芯首先在向外方向上被第一层结构的层包围，然后被第二层结构的层包围。在本文中，第一层结构的层的纤维的绕法或螺距不同于第二层结构的层的纤维的绕法或螺距。换句话说，第一层结构的层纤维为右旋取向的，第二层结构的层纤维为左旋取向的，反之亦然。因此，代替其中具有不同绕法的纤维的层以一层在另一层之上的方式交替布置的所谓的细层结构，提供粗层结构，其中提供具有相同绕法的纤维的各层一层位于另一层之上的第一布置，然后在所述第一布置上提供具有相同绕法的纤维的各层的第二布置，其中第一布置的纤维的绕法不同于第二布置的纤维的绕法。这种结构提高了疲劳强度并降低了剪切模量。
此外，各个层结构的相邻层的纤维的取向彼此略微不同。换句话说，第一层结构的各层的纤维不是彼此平行取向的，而是恰好以锐角交叉，如在层的平面图中所示。同样地，第二层结构的各层的纤维不是彼此平行取向的，而是恰好以锐角交叉，如在层的平面图中所示。这种结构具有止裂作用。如果移除芯，则线材的重量进一步减小。如果保留芯，则可稳定线材。
第二层结构可由比第一层结构更多的纤维形成。因此，提供了比可承受压缩载荷的纤维更多的可承受拉伸载荷的纤维。这可以通过包含比第一层结构更多的层的第二层结构来实现，其中每层的纤维数相同。或者，也可以目标方式改变每层的纤维数和/或每层的纤维体积分数。借助于这种结构，线材可承受更大的扭转载荷。换句话说，借助于这种结构，裂纹形成极限向更高的扭转载荷移动。
第二多层的纤维数可比第一多层的纤维数多1.5至9倍、优选1.5至4倍、特别优选2至3倍。由此，提供了可承受特别高的扭转载荷的线材。
可形成具有不同的纤维体积分数的第一多层和第二多层，其中相对于第一层结构的体积，第一多层具有40％至70％的纤维体积分数，其中相对于第二层结构的体积，第二多层具有35％至60％的纤维体积分数。在第一和第二多层中，纤维体积分数也可略微变化，以协调各个层相对于彼此的负载份额。
第一多层的纤维可嵌入第一基质材料中，第二多层的纤维可嵌入第二基质材料中。在本文中，第二基质材料可不同于第一基质材料。第一基质材料可具有高强度和大于2.9GPa的拉伸模量，第二基质材料可具有高延展性。
如果第一层结构通过浸渍剂不可渗透的层与第二层结构分离，则第一多层的纤维和第二多层的纤维可使用不同的浸渍剂浸渍。所述层具有止裂作用，使得第一层结构中可能的裂纹不能扩展到第二层结构，反之亦然。
第二层结构的纤维可形成为长丝直径小于第一层结构的纤维的长丝直径的粗纱。
芯可为加捻纤维、实心芯、被包覆的实心芯、中空芯或被包覆的中空芯的布置。因此，基本上可在本发明的上下文中使用多种类型的芯。此处，线材的横截面优选为圆形，但是基本上可为卵形、椭圆形、多边形或具有圆角的多边形。中空芯相对于实心芯减轻了重量。
第一层结构可由第一多层组成，第二层结构可由第二多层组成。因此确定了具有特别好的疲劳强度的线材。
第一层结构的纤维和/或第二层结构的纤维可通过长丝缠绕或通过拉绕来布置。因此，纤维可以以特别精确取向的方式布置。
所述方法还可包括使线材弯曲。因此获得更多种形式。
所述方法还可包括使线材弯曲成螺旋弹簧的形式。这种类型的螺旋弹簧具有高的疲劳强度，并且比由钢组成的螺旋弹簧重量轻得多。
螺旋弹簧可具有至少螺距H、弹簧直径D和螺距角α，比值tanα＝H/(π*D)不大于0.22并且优选不大于0.21。已证明这种特定的几何结构具有特别好的疲劳强度。
线材可设计为右旋压缩弹簧或左旋拉伸弹簧，第一多层的纤维的纵向延伸方向相对于线材的纵向延伸方向以40°至50°大小的角度右旋取向，第二多层的纤维的纵向延伸方向相对于线材的纵向延伸方向以40°至50°大小的角度左旋取向。已证明第一和第二多层中的这种纤维形式可特别有效地承受扭转载荷。
或者，线材可设计为左旋压缩弹簧或右旋拉伸弹簧，第一多层的纤维的纵向延伸方向相对于线材的纵向延伸方向以40°至50°大小的角度左旋取向，第二多层的纤维的纵向延伸方向相对于线材的纵向延伸方向以40°至50°大小的角度右旋取向。已证明第一和第二多层中的这种纤维形式可特别有效地承受扭转载荷。
第一多层的纤维和第二多层的纤维优选为玻璃纤维。这种纤维特别容易加工且持久稳定，并且具有高的疲劳强度。
根据本发明，提供根据上述方法之一获得或可获得的线材。因此可制备具有上述方法的优点的线材。
根据本发明，提供上述线材作为机动车辆的驱动装置中的弹簧的用途。因此，在机动车辆中可使用重量相对较轻但操作可靠的弹簧。
下面将参考附图更详细地论述本发明。附图应理解为示意图。它们不构成对本发明、例如对于特定尺寸或设计版本的限制。
在附图中：
图1示出了线材的侧视图，
图2示出了第一实施方案的线材的侧视图，
图3A至3E各自示出了第一层结构的平面图和第一层结构的纤维的可能取向的实例，
图4示出了第二实施方案的线材的侧视图，
图5示出了第三实施方案的线材的侧视图，
图6示出了第四实施方案的线材的侧视图，
图7A至7D示出了用于制备线材的方法的不同步骤，
图8示出了剪切模量、剪切强度和剪切模量与剪切强度的平方之比的结果，
图9示出了随tanα而变的可承受的剪切应力τmax，并且
图10示出了弹簧中两种类型的层压材料的可承受的剪切应力τmax，其中弹簧具有相似的外形并且所用材料的化学成分不同。
具体实施方式
图1示出了线材10的侧视图，其被弯曲成右旋螺旋弹簧12的形式。相应地，线材10以右旋方式围绕对称轴线14缠绕。为了便于说明，在图1中示出了螺旋弹簧12的某些参数。螺旋弹簧12具有线材10的外径de。线材10可为管状形式，并且因此可具有内径di。此外，螺旋弹簧12具有螺距H、弹簧直径D和螺距角α。本文中，螺距H被定义为相邻线圈的中心点在平行于对称轴14的方向上的间隔。本文中，弹簧直径D被定义为相邻线圈的中心点在垂直于对称轴14的方向上的间隔。螺距角α被定义为线材10的中心线16与垂直于对称轴14的平面18之间的角度。
图2示出了本发明第一实施方案的线材10的侧视图。线材10弯曲成右旋螺旋弹簧12的形式。螺旋弹簧12具有螺距H、弹簧直径D和螺距角α，比值tanα＝H/(π*D)不大于0.22并且优选不大于0.21。螺旋弹簧12为右旋压缩弹簧，如箭头20所示。线材10沿纵向延伸方向22延伸。线材10具有围绕纵向延伸方向22布置的第一层结构24。第一层结构24具有第一多层26，图2中仅示出其中一层。第一层结构24优选由第一多层26组成。第一层结构24的各层26具有多根纤维28。第一多层26的纤维28各自在纵向延伸方向30上延伸。第一多层26的纤维28的纵向延伸方向30各自相对于线材10的纵向延伸方向22以30°至60°并且优选以40°至50°大小的角度取向。第一多层26的纤维28相对于线材10的纵向延伸方向22以这样的方式延伸，使得在线材10的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向30上承受纵向压缩载荷。在一个实施方案中，第一多层26的纤维28的纵向延伸方向30相对于线材10的纵向延伸方向22以40°至50°大小的角度右旋取向。
线材10还具有围绕第一层结构24的第二层结构32。第二层结构32具有第二多层34，图2中仅示出其中一层。第二层结构32优选由第二多层34组成。第二层结构32的各层34具有多根纤维36。第二多层34的纤维36各自在纵向延伸方向38上延伸。第二多层34的纤维36的纵向延伸方向38各自相对于线材10的纵向延伸方向22以30°至60°并且优选以40°至50°大小的角度取向。第二多层34的纤维36相对于线材10的纵向延伸方向22以这样的方式延伸，使得在线材10的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向38上承受纵向拉伸载荷。在第一实施方案中，第二多层34的纤维36的纵向延伸方向38相对于线材22的纵向延伸方向22以40°至50°大小的角度左旋取向。
第一多层26的纤维28和第二多层34的纤维36为玻璃纤维。第二层结构32包含比第一层结构24更多的纤维36。例如，第二多层34的纤维36的数量比第一多层26的纤维28的数量多1.5至9倍、优选1.5至4倍、特别优选2至3倍。第一多层26和第二多层34可具有不同的纤维体积分数。例如，相对于第一层结构24的体积，第一多层34具有50％至70％的纤维体积分数，并且相对于第二层结构32的体积，第二多层34具有35％至60％的纤维体积分数。第一多层26的纤维28可嵌入第一基质材料中。第二多层34的纤维36可嵌入第二基质材料中。第二基质材料任选地不同于第一基质材料。在不同基质材料的情况下，第一基质材料具有高强度和优选大于2.9GPa的拉伸模量，第二基质材料具有高延展性。第一多层26的纤维28浸渍有第一浸渍剂，第二多层34的纤维36浸渍有第二浸渍剂。第一层结构24任选地通过第一浸渍剂和第二浸渍剂不可渗透的层与第二层结构32分离。第一浸渍剂与第二浸渍剂不同。第二层结构32的纤维36形成为长丝直径任选地小于第一层结构24的纤维28的长丝直径的粗纱。线材10可任选地具有芯，在芯上布置有第一层结构24。芯可为加捻纤维、实心芯、被包覆的实心芯、中空芯或被包覆的中空芯的布置。芯可保留在成品工件中或者可移除。
在线材10中，第一多层26的相邻层26的纤维28的纵向延伸方向30彼此相差0°至10°、优选2°至10°且甚至更优选2°至6°大小的角度。此外，第二多层34的相邻层34的纤维36的纵向延伸方向38彼此相差0°至10°、优选2°至10°且甚至更优选2°至6°大小的角度。这将在下文中基于第一层结构24更详细地讨论，其中该说明类似地适用于第二层结构32。
图3A至3E各自示出了第一层结构24的平面图和第一层结构24的纤维28的可能取向的实例。仅示例性地，示出了第一层结构24的第一层26a、第二层26b和第三层26c，它们按照规定顺序以一层在另一层之上的方式布置。第一层26a具有第一多根纤维28a。第二层26b具有第二多根纤维28b。第三层26c具有第三多根纤维28c。在纤维28a、28b、28c中，为了清楚起见，各自仅示出一根纤维。或者，在仅两层的情况下，纤维28a和28c可围绕具有纤维28b的外形的假想对称线变化。
在图3A中，第二多根纤维28b相对于第一多根纤维28a在所示的顺时针方向上以0°至10°、优选2°至10°且更优选2°至6°的角度延伸。此外，第三多根纤维28c相对于第二多根纤维28b在所示的顺时针方向上以0°至10°、优选2°至10°且更优选2°至6°的角度延伸。
在图3B中，第二多根纤维28b相对于第一多根纤维28a在所示的逆时针方向上以0°至10°、优选2°至10°且更优选2°至6°的角度延伸。此外，第三多根纤维28c相对于第二多根纤维28b在所示的逆时针方向上以0°至10°、优选2°至10°且更优选2°至6°的角度延伸。
在图3C中，第二多根纤维28b相对于第一多根纤维28a在所示的顺时针方向上以0°至10°、优选2°至10°且更优选2°至6°的角度延伸。此外，第三多根纤维28c相对于第一多根纤维28a在所示的逆时针方向上以0°至10°、优选2°至10°且更优选2°至6°的角度延伸。
在图3D中，第二多根纤维28b相对于第一多根纤维28a在所示的逆时针方向上以0°至10°、优选2°至10°且更优选2°至6°的角度延伸。此外，第三多根纤维28c相对于第一多根纤维28a在所示的顺时针方向上以0°至10°、优选2°至10°且更优选2°至6°的角度延伸。
显然，各个角度的大小不必相同。
图3E示出了一种布置，其中在每种情况下，相同层结构24的每个第二层26a、26c的纤维28a、28c彼此平行地延伸。相应地，纤维28a、28c在图3E的平面图中重叠。
图4示出了本发明第二实施方案的线材10的侧视图。下面仅描述与第一实施方案的不同之处，并且相同的部件由相同的附图标记表示。线材10弯曲成左旋螺旋弹簧12的形式。螺旋弹簧12为左旋压缩弹簧，如箭头20所示。在第二实施方案中，第一多层26的纤维28的纵向延伸方向30相对于线材10的纵向延伸方向22以40°至50°大小的角度左旋取向。此外，在第二实施方案中，第二多层34的纤维36的纵向延伸方向38相对于线材22的纵向延伸方向22以40°至50°大小的角度右旋取向。
图5示出了本发明第三实施方案的线材10的侧视图。下面仅描述与第一实施方案的不同之处，并且相同的部件由相同的附图标记表示。线材10弯曲成右旋螺旋弹簧12的形式。螺旋弹簧12为右旋拉伸弹簧，如箭头20所示。在第三实施方案中，第一多层26的纤维28的纵向延伸方向30相对于线材10的纵向延伸方向22以40°至50°大小的角度左旋取向。此外，在第三实施方案中，第二多层34的纤维36的纵向延伸方向38相对于线材22的纵向延伸方向22以40°至50°大小的角度右旋取向。
图6示出了本发明第四实施方案的线材10的侧视图。下面仅描述与第一实施方案的不同之处，并且相同的部件由相同的附图标记表示。线材10弯曲成左旋螺旋弹簧12的形式。螺旋弹簧12为左旋拉伸弹簧，如箭头20所示。在第四实施方案中，第一多层26的纤维28的纵向延伸方向30相对于线材10的纵向延伸方向22以40°至50°大小的角度右旋取向。此外，在第四实施方案中，第二多层34的纤维36的纵向延伸方向38相对于线材22的纵向延伸方向22以40°至50°大小的角度左旋取向。
下面将描述用于制备线材10的方法。此处，将参考第一实施方案的线材10的制备来描述该方法。然而，该方法同样适用于制备第二至第四实施方案的线材。
本文中，图7A至7D示出了该方法的不同步骤。如图7A所示，首先提供芯40。为了限定线材10的纵向延伸方向22，芯40在纵向延伸方向上延伸。芯40例如以直线方式延伸。芯40可为加捻纤维、实心芯、被包覆的实心芯、中空芯或被包覆的中空芯的布置。如图7B所示，第一层结构24围绕纵向延伸方向22布置在芯40上。第一层结构24具有第一多层26。第一层结构24优选由第一多层26组成。第一层结构24的各层26具有多根纤维28，在图7B中仅示出其中一根。纤维28可例如通过长丝缠绕布置在芯40上。第一多层26的纤维28各自在纵向延伸方向30上延伸。第一多层26的纤维28的纵向延伸方向30各自相对于线材10的纵向延伸方向22以30°至60°并且优选40°至50°大小的角度取向。第一多层26的纤维28相对于线材10的纵向延伸方向22以这样的方式延伸，使得在线材10的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向30上承受纵向压缩载荷。在所示的实施方案中，第一多层26的纤维28的纵向延伸方向30相对于线材10的纵向延伸方向22以40°至50°大小的角度右旋取向。
如图7C所示，第二层结构32布置在第一层结构24上从而包围第一层结构24。第二层结构32具有第二多层34。第二层结构32优选由第二多层34组成。第二层结构32的各层34具有多根纤维36，在图7C中仅示出其中一根。纤维36可例如通过长丝缠绕或拉绕布置在第一层结构24上。第二多层34的纤维36各自在纵向延伸方向38上延伸。第二多层34的纤维36的纵向延伸方向38各自相对于线材10的纵向延伸方向22以30°至60°并且优选40°至50°大小的角度取向。第二多层34的纤维36相对于线材10的纵向延伸方向22以这样的方式延伸，使得在线材10的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向38上承受纵向拉伸载荷。在第一实施方案中，第二多层34的纤维36的纵向延伸方向38相对于线材22的纵向延伸方向22以40°至50°大小的角度左旋取向。
第一多层26的纤维28和第二多层34的纤维36为玻璃纤维。第二层结构32包含比第一层结构24更多的纤维36。例如，第二多层34的纤维36的数量比第一多层26的纤维28的数量多1.5至9倍、优选1.5至4倍、特别优选2至3倍。第一多层26和第二多层34可具有不同的纤维体积分数。例如，相对于第一层结构24的体积，第一多层34具有40％至70％的纤维体积分数，并且相对于第二层结构32的体积，第二多层34具有35％至60％的纤维体积分数。第一多层26的纤维28嵌入第一基质材料中。第二多层34的纤维36嵌入第二基质材料中。第二基质材料可不同于第一基质材料。例如，第一基质材料可具有高刚度，并且第二基质材料可具有高延展性。第一多层26的纤维28和第二多层34的纤维36各自用浸渍剂浸渍。第一层结构24可以通过浸渍剂不可渗透的层与第二层结构32分离。浸渍剂可彼此不同。第二层结构32的纤维36形成为长丝直径小于第一层结构24的纤维28的长丝直径的粗纱。
在线材10中，第一多层26的相邻层26的纤维28的纵向延伸方向30彼此相差0°至10°、优选2°至10°且甚至更优选2°至6°大小的角度。此外，第二多层34的相邻层34的纤维36的纵向延伸方向38彼此相差0°至10°、优选2°至10°且甚至更优选2°至6°大小的角度，如上所述。随后，可移除芯40或者可将其保留在第一层结构24中。例如，如果芯40由PTFE制成，则可移除芯40，因为该材料不与纤维复合材料的基质体系粘合。
如图7D所示，随后弯曲线材10。线材10通过例如自由形式工具(free-form tool)弯曲成例如右旋螺旋弹簧12的形式。形成具有螺距H、弹簧直径D和螺距角α、比值tanα＝H/(π*D)不大于0.22并且优选不大于0.21的螺旋弹簧12。随后使螺旋弹簧12固化，这可通过供热来进行。
实施例
将基于以下实施例更详细地论述本发明。
对于以下实施例，将使用以下命名法，其用于确定测试结果。
B 疲劳强度指数(exponent fatigue strength)
C D/de比
de 线材外径
di 线材内径
D 弹簧直径
F 力
G 剪切模量，平均值
H 弹簧线圈的螺距
k di/de比
K 弹簧常数
n 失效前的振荡次数
N 弹簧线圈的数量
α 弹簧线圈的螺距角
δ 弹簧偏离空载位置的量
σB,max 线材横截面水平外边缘处的弯曲应力
τS 由剪切产生的剪切应力
τT 在径向增加应力的情况下，由于线材圆周的扭转而产生的剪切应力
τmax 由于扭转和剪切引起厚弹簧的内圆周处的增加的剪切应力，根据Waals计算
ρ 密度
对于螺旋弹簧的几何结构，螺距H、弹簧直径D和螺距角α之间适用以下比值：
从与螺旋弹簧的设计有关的标准文献中可以推断出，当引入轴向力时，由扭转、弯曲和剪切产生的应力作用于中空螺旋弹簧的横截面上。
剪切应力：
围绕弹簧轴的弯曲应力：
在径向应力分布的情况下，由外边缘处的扭转产生的剪切应力：
在由粗条或线材组成的弹簧的情况下，由于扭转和剪切，在弹簧线圈的内圆周处产生增加的剪切应力，根据Waals，其约等于：
与疲劳强度有关的测试通常按照以下等式描述为曲线：
弹簧的偏离量(deflection)计算如下：
弹簧常数是作为偏离量的函数的力的局部斜率：
反过来，所需的剪切模量可由斜率确定：
螺旋弹簧的质量取决于对容许力和在所述力下所需的偏离量的要求，其为三个材料参数剪切模量、密度和剪切强度的函数：
为了使弹簧的质量m最小化，有必要开发具有低剪切模量G和高剪切强度τT的层压材料，即层结构。
在压缩下在尺寸为D＝99.5mm、de＝19.5mm、di＝10.0mm的右旋螺旋弹簧上进行测试。在两端的螺距通常较小，这对于用于汽车工程领域的螺旋弹簧而言是常见的。表1示出了成形过程中线圈的螺距。还列出了弹簧座的间距。表1中的螺距H以mm表示。在第一行中，数值表示线圈部分，其中数字1表示一个完整的线圈，或360°。
表1
层压材料：各个样品的层压结构为细层(F)或粗层(G)构型，其在纵向上受到压缩载荷的纤维与在纵向上受到拉伸载荷的纤维的比例不同。本文中，细层意指不同旋转方向的层的交替布置，粗层意指首先施用具有相同旋转方向的纤维的多个层，然后施用具有相反或不同旋转方向的纤维的多个层。在表2中，在第一列中，列出了具有不同层压结构或层结构的样品变体，其中层压结构或层结构在第二列中列出。此处，在第一列中，在括号内，首先列出承受压缩载荷的层的数量，然后列出承受拉伸载荷的层的数量。例如，F(3/7)表示其中三层承受压缩载荷且七层承受拉伸载荷的细层结构。层的精确结构在第二列中列出，其中(-)表示受到压缩载荷的层相对于线材的纵向延伸方向的取向或角度，(+)表示受到拉伸载荷的层相对于线材的纵向延伸方向的取向或角度。
表2
样品 层压结构
F(5/5) [-45,+45,-45,+45,-45,+45,-45,+45,-45,+45]
F(3/7) [-48,+42,+48,-42,+48,+42,-48,+42,+48,+42]
G(5/5) [-48°,-42°,-48°,-42°,-48°],[+42°,+48°,+42°,+48°,+42°]
G(4/6) [-48°,-42°,-48°,-42°],[+48°,+42°,+48°,+42°,+48°,+42°]
G(3/7) [-48°,-42°,-48°],[+42°,+48°,+42°,+48°,+42°,+48°,+42°]
G(2/8) [-48°,-42°],[+48°,+42°,+48°,+42°,+48°,+42°,+48°,+42°]
G(1/9) [-48°],[+42°,+48°,+42°,+48°,+42°,+48°,+42°,+48°,+42°]
以下材料用于测试的线材。玻璃纤维是重量为2400g/km(2400tex)的粗纱。体系A由具有22重量％丁二醇-二缩水甘油醚的树脂双酚-A-二缩水甘油醚和固化剂二乙基甲基苯二胺以100:26的混合比组成。体系B由具有22重量％丁二醇-二缩水甘油醚的树脂双酚-A-二缩水甘油醚和固化剂二氰胺(56重量％)+甲基环己基二胺(26重量％)+3,3'-(4-甲基-1,3-亚苯基)双(1,1-二甲基脲)(可以以商品名Uron Dyhard UR500获得)(18重量％)以100:11的混合比组成。纤维质量分数由玻璃材料、芯材料、辅助材料的用量和型材的总重量通过计算来确定，体系A为67％+/-2％并且体系B为65％+/-2％。
弹簧杆(spring rod)采用长丝缠绕制成，每层8根长丝，并且具有多个长丝孔环(filament eyelet ring)。在7mm钢芯上进行缠绕，所述钢芯被外径10mm、壁厚1mm的聚乙烯软管包覆，所述聚乙烯软管对弹簧的强度和刚度没有显著影响。在长丝缠绕后拉出钢芯。将钢条缠绕在外径为80mm的管上。成形过程中的螺距通过间隔物设定。体系A的固化在120℃下进行2h并在150℃下进行5h。体系B的固化在90℃下进行3h并在140℃下进行1h。
层压结构不仅具有不同的负载能力，而且还表现出不同的扭转刚度。因此，与疲劳强度有关的测试从1000N的最小夹持力(holding force)进行至最大可能的力直到弹簧呈现停振状态之前不久的点，所述最大可能的力为3-5kN，取决于层压材料。频率为3.5 1/s。因此，在力F的存在下，测定直至失效的循环次数n。
用于比较层压材料的参数计算如下：在55mm的平均偏离量下，螺距K由弹簧特性曲线F(δ)确定。假设在所述弹簧偏离量下4个自由线圈能够扭转，剪切模量G由所述螺距确定。
在循环次数n下，最高扭转应力和最大剪切应力测定如下：
采用实验测定的指数B＝0.05，测定100万次循环时的容许扭转应力和最大剪切应力以用于比较层压材料：
图8示出了由此确定的剪切模量、100万次循环时可承受的剪切应力和剪切模量与可承受的剪切应力的平方之比的结果。
图8中的结果表明所述层压材料在扭转载荷下的优越性。特别地，与所需的弹簧质量成比例的比值G/τT 2从细层标准层压材料F(5/5)的值减小至55％，这使得相对于所述标准层压材料的重量减轻45％。
然而，随着螺距H的增加或螺距角α的增加，线材的弯曲应力也增加。线材不再能够专门针对扭转进行优化。图9示出了随tanα而变的可承受的剪切应力τmax。图9表明，在具有大螺距H的弹簧设计的情况下，由于较高的弯曲应力，扭转优化的层压材料表现地更差。
表3示出了两种不同环氧树脂体系的不同层压材料的剪切强度和部分剪切模量的比较。
表3
*测试结束，弹簧未失效
图10示出了弹簧中两种类型的层压材料的可承受的剪切应力τmax，其中弹簧具有相似的外形并且所用材料的化学成分不同。更具体地，图10示出了采用上述体系A和B的化学成分制备的标准层压材料F(5/5)形式的线材以及采用上述体系A和B的化学成分制备的具有本发明的结构G(3/7)的线材的可承受的剪切应力τmax。从图10中可以看出，具有本发明的结构G(3/7)的线材的可承受的剪切应力τmax高于标准层压材料F(5/5)形式的线材的可承受的剪切应力τmax，其中所使用的化学成分对可承受的剪切应力τmax的影响可忽略。从图10中可以清楚地看出由于本发明引起的对可承受的剪切应力τmax的有利影响。

Claims (15)

1.一种线材(10)，所述线材(10)在纵向延伸方向(22)上延伸，线材(10)具有围绕纵向延伸方向(22)布置的第一层结构(24)和围绕第一层结构(24)的第二层结构(32)，
第一层结构(24)包含第一多层(26)，第一层结构(24)的各层(26)具有多根纤维(28)，
第二层结构(32)包含第二多层(34)，第二层结构(32)的各层(34)具有多根纤维(36)，
第一多层(26)的纤维(28)和第二多层(34)的纤维(36)各自沿纵向延伸方向(30，38)延伸，第一多层(26)的纤维(28)和第二多层(34)的纤维(36)的纵向延伸方向(30)各自相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以30°至60°并且优选40°至50°大小的角度取向，
第一多层(26)的纤维(28)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以这样的方式延伸，使得在线材(10)的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向(30)上承受纵向压缩载荷，
第二多层(34)的纤维(36)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以这样的方式延伸，使得在线材(10)的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向(38)上承受纵向拉伸载荷，
第一多层(26)的相邻层(26)的纤维(28)的纵向延伸方向(30)彼此相差0°至10°、优选2°至10°且甚至更优选2°至6°大小的角度，
第二多层(34)的相邻层(34)的纤维(36)的纵向延伸方向(38)彼此相差0°至10°、优选2°至10°且甚至更优选2°至6°大小的角度。
2.根据权利要求1所述的线材(10)，第二层结构(32)包含比第一层结构(24)更多的纤维(36)，第二多层(34)的纤维(36)的数量特别地比第一多层(26)的纤维(28)的数量多1.5至9倍、优选1.5至4倍、特别优选2至3倍。
3.根据权利要求1或2所述的线材(10)，第一多层(26)的纤维(28)浸渍有第一浸渍剂，并且第二多层(34)的纤维(36)浸渍有第二浸渍剂，第一层结构(24)优选通过第一浸渍剂和第二浸渍剂不可渗透的层与第二层结构(32)分离，第一浸渍剂优选不同于第二浸渍剂。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的线材(10)，线材(10)具有芯(40)，其上布置有第一层结构(24)，芯(40)为加捻纤维、实心芯、被包覆的实心芯、中空芯或被包覆的中空芯的布置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的线材(10)，线材(10)弯曲成螺旋弹簧(12)的形式，螺旋弹簧(12)特别地具有螺距H、弹簧直径D和螺距角α，比值tanα＝H/(π*D)不大于0.22并且优选不大于0.21。
6.根据权利要求5所述的线材(10)，线材(10)为右旋压缩弹簧或左旋拉伸弹簧的形式，第一多层(26)的纤维(28)的纵向延伸方向(30)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以40°至50°大小的角度右旋取向，第二多层(34)的纤维(36)的纵向延伸方向(38)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以40°至50°大小的角度左旋取向，或
线材(10)为左旋压缩弹簧或右旋拉伸弹簧的形式，第一多层(26)的纤维(28)的纵向延伸方向(30)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以40°至50°大小的角度左旋取向，第二多层(34)的纤维(36)的纵向延伸方向(38)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以40°至50°大小的角度右旋取向。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的线材(10)，第一多层(26)的纤维(28)和第二多层(34)的纤维(36)为玻璃纤维。
8.一种用于制备线材(10)、优选权利要求1至7中任一项所述的线材(10)的方法，其包括：
(i)提供芯(40)，其沿纵向延伸方向延伸从而限定线材(10)的纵向延伸方向(22)，
(ii)围绕芯(40)布置第一层结构(24)，第一层结构(24)由第一多层(26)形成，第一层结构(24)的各层(26)具有多根纤维(28)，
(iii)围绕第一层结构(24)布置第二层结构(32)，第二层结构(32)由第二多层(24)形成，第二层结构(32)的各层(34)具有多根纤维(36)，第一多层(26)的纤维(28)和第二多层(34)的纤维(36)各自沿纵向延伸方向(30，38)延伸，第一多层(26)的纤维(28)和第二多层(34)的纤维(36)的纵向延伸方向(30，38)各自相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以30°至60°且优选40°至50°大小的角度取向，第一多层(26)的纤维(28)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以这样的方式延伸，使得在线材(10)的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向(30)上承受纵向压缩载荷，第二多层(34)的纤维(36)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以这样的方式延伸，使得在线材(10)的给定扭转载荷的存在下，所述纤维在其纵向延伸方向(38)上承受纵向拉伸载荷，第一多层(26)的相邻层(26)的纤维(28)的纵向延伸方向(30)彼此相差0°至10°、优选2°至10°且甚至更优选2°至6°大小的角度，第二多层(34)的相邻层(34)的纤维(36)的纵向延伸方向(38)彼此相差0°至10°、优选2°至10°且甚至更优选2°至6°大小的角度，
(iv)移除芯(40)或将芯(40)保留在第一层结构(24)中。
9.根据权利要求8所述的方法，形成第二层结构(32)，其具有比第一层结构(24)更多的纤维(36)，第二多层(34)的纤维(36)的数量特别地比第一多层(26)的纤维(28)的数量多1.5至9倍、优选1.5至4倍、特别优选2至3倍。
10.根据权利要求8或9所述的方法，第一多层(26)的纤维(28)浸渍有第一浸渍剂，第二多层(34)的纤维(36)浸渍有第二浸渍剂，第一层结构(24)优选通过第一浸渍剂和第二浸渍剂不可渗透的层与第二层结构(32)分离，第一浸渍剂优选不同于第二浸渍剂。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，还包括将线材(10)弯曲成螺旋弹簧(12)的形式，螺旋弹簧(12)特别地具有螺距H、弹簧直径D和螺距角α，比值tanα＝H/(π*D)不大于0.22并且优选不大于0.21。
12.根据权利要求11所述的方法，线材(10)为右旋压缩弹簧或左旋拉伸弹簧的形式，第一多层(26)的纤维(28)的纵向延伸方向(30)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以40°至50°大小的角度右旋取向，第二多层(34)的纤维(36)的纵向延伸方向(38)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以40°至50°大小的角度左旋取向，或
线材(10)为左旋压缩弹簧或右旋拉伸弹簧的形式，第一多层(26)的纤维(28)的纵向延伸方向(30)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以40°至50°大小的角度左旋取向，第二多层(34)的纤维(36)的纵向延伸方向(38)相对于线材(10)的纵向延伸方向(22)以40°至50°大小的角度右旋取向。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，第一多层(26)的纤维(28)和第二多层(34)的纤维(36)为玻璃纤维。
14.一种线材(10)，其根据权利要求8至13中任一项所述的方法获得或可获得。
15.根据权利要求1至7中任一项所述的线材(10)或根据权利要求14所述的线材(10)作为机动车辆的驱动装置中的弹簧的用途。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018129549B9 (de) * 2018-11-23 2022-08-18 Action Composites Hightech GmbH Gestaltung der Enden von Schraubenfedern
FR3090461B1 (fr) * 2018-12-20 2021-12-03 S Ara Composite Corde composite

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1662696A (zh) * 2002-06-20 2005-08-31 岩山复合有限公司 树脂浸制多取向复合材料
FR2837250B1 (fr) * 2002-03-18 2007-02-09 Max Sardou Ressort helicoidal composite et procede de fabrication associe
CN101439580A (zh) * 2007-11-22 2009-05-27 鹰将智财创意开发有限公司 纤维强化复合螺旋弹簧的制作方法
CN101657119A (zh) * 2007-04-18 2010-02-24 帝斯曼知识产权资产管理有限公司 生产长丝缠绕的弯曲产品的方法以及由其获得的产品
CN102785372A (zh) * 2012-09-04 2012-11-21 株洲时代新材料科技股份有限公司 一种纤维增强塑料板式弹簧的制造方法
CA2877488A1 (en) * 2012-07-18 2014-01-23 Mssc Inc. Composite coil spring

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0145810A1 (de) 1983-12-20 1985-06-26 Joachim Dr. Schnell Elastische Welle
MC1620A1 (fr) 1984-05-17 1985-07-18 Silvatrim Procede pour la fabrication de ressorts helicoidaux
JPS6117731A (ja) * 1984-07-02 1986-01-25 Nhk Spring Co Ltd ト−シヨンバ−
DE3824933A1 (de) 1988-07-22 1990-01-25 Audi Ag Rohrfoermiges, tordierbares federelement
JP3009311B2 (ja) 1993-08-04 2000-02-14 東邦レーヨン株式会社 繊維強化樹脂製コイルスプリングおよびその製造方法
US5603490A (en) 1994-11-07 1997-02-18 Folsom; Mark F. Fiber-reinforced plastic springs with helical fiber wind
US5549370A (en) * 1994-11-07 1996-08-27 Folsom; Mark F. Fiber-reinforced plastic springs with helical fiber wind
FR2859735B1 (fr) 2003-09-16 2006-04-07 Max Sardou Fil pour la realisation d'un ressort et procede pour la realisation de ce fil
JP2006226327A (ja) 2005-02-15 2006-08-31 Kyoto Institute Of Technology Ｆｒｐ製コイルばね及びその生産方法
US8679606B2 (en) * 2010-10-14 2014-03-25 Vetco Gray Inc. Thick walled composite tubular and method of making

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2837250B1 (fr) * 2002-03-18 2007-02-09 Max Sardou Ressort helicoidal composite et procede de fabrication associe
CN1662696A (zh) * 2002-06-20 2005-08-31 岩山复合有限公司 树脂浸制多取向复合材料
CN101657119A (zh) * 2007-04-18 2010-02-24 帝斯曼知识产权资产管理有限公司 生产长丝缠绕的弯曲产品的方法以及由其获得的产品
CN101439580A (zh) * 2007-11-22 2009-05-27 鹰将智财创意开发有限公司 纤维强化复合螺旋弹簧的制作方法
CA2877488A1 (en) * 2012-07-18 2014-01-23 Mssc Inc. Composite coil spring
CN102785372A (zh) * 2012-09-04 2012-11-21 株洲时代新材料科技股份有限公司 一种纤维增强塑料板式弹簧的制造方法

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