DE10141432A1

DE10141432A1 - Blattfeder aus Faserverbundkunststoff

Info

Publication number: DE10141432A1
Application number: DE2001141432
Authority: DE
Inventors: Gerhard Scharr
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Es soll eine Faserverbund-Blattfeder (2) preiswert hergestellt werden. Zudem soll die Feder (2) möglichst auch gewichts- bzw. volumen-optimiert sein. DOLLAR A Die Blattfeder (2) besteht aus mindestens zwei Federelementen (4a, 4b), die aus Faserverbundkunststoff im Strangpressverfahren geradlinig und mit rechteckigem Querschnitt hergestellt sind. Alternativ können die FVK-Federelemente (4a, 4b) im Wickelverfahren bereits kreisbogenförmig hergestellt sein. Diese so hergestellten Federelemente (4a, 4b) werden vorzugsweise gegenläufig kreis- oder parabelförmig, d. h. bikonvex, gekrümmt und in diesem Zustand mittels Verbindungselemente (6a, 6b), die schräg geneigte Schlitze (8a, 8b, 8c, 8d) aufweisen, gehaltert, DOLLAR A Sowohl zwei mittig auf den Federelementen (4a, 4b) angebrachte Krafteinleitungsbauteile (12a, 12b) als auch die beiden Verbindungselemente (6a, 6b) sind so gestaltet, dass keine oder nur geringe Spannungs-/Dehnungsüberhöhungen auftreten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Blattfeder aus Faserverbundkunststoff, d. h. aus faserverstärktem, hartelastischem Kunststoff mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezählten Merkmalen.
Bei faserverstärktem Kunststoff-Blattfedern sind die Fasern aus Glas, Kohlenstoff oder Aramid im wesentlichen in Blattfederlängsrichtung ausgerichtet.
Blattfedern unterliegen sowohl Druck- und Zugbeanspruchungen als auch Schubbeanspruchungen. Der Kunststoff weist in der Regel eine hohe Druckfestigkeit aber eine geringe Zugfestigkeit auf, während die Fasern eine sehr hohe Zugfestigkeit aufweisen. Bei dem Faserverbundkunststoff ist die Zugfestigkeit größer als die Druckfestigkeit.
Aus ökonomischen Gründen ist man bestrebt, die aus Faserverbundkunststoff hergestellten Blattfedern zu optimieren.
Um der bei Belastung auftretenden Durchbiegung Rechnung zu tragen, werden die Blattfedern in der Regel konvex gewölbt ausgebildet.
Durch eine konvex gewölbte Gestalt oder durch eine konvexe Vorspannung der Blattfeder wird die Biegebeanspruchbarkeit pro Volumeneinheit gegenüber einer geradlinigen Gestalt erhöht.
Das angestrebte Ziel besteht demnach in einer aus konvex gewölbten Faserverbund-Federblättern preiswert hergestellten Blattfeder.

Gemäß der PS 35 27 917 besteht eine gewichts- bzw. volumen-optimierte Blattfeder aus zumindest zwei miteinander verbundenen, faserverstärkten Kunststoff- Schichten, die gegeneinander verspannt sind. Auf diese Weise ergibt sich eine Blattfeder mit der gewünschten Wölbung.

Nachteilig bei dieser Art Blattfeder ist das relativ aufwendige und damit teure Herstellungsverfahren, wobei die verschiedenen Schichten mit speziellen Werkzeugen in eine kreis- oder parabelförmig gewölbte Form gebracht, verklebt und ausgehärtet werden müssen.

Blattfedern, deren erster Herstellungsschritt die gewünschte konvexe Wölbung ergibt, sind ebenfalls bekannt. In der EP 0 351 738 B1 ist ein solches Lager aus Faserverbundkunststoff beschrieben, bei dem der Federkörper aus einem geschlossenen Ring besteht. In dem Federkörper verlaufen die Fasern des Faserverbundmaterials sowohl in Umfangsrichtung als auch quer zur Umfangsrichtung des geschlossenen Ringes. Durch eine derartige Ausrichtung der Fasern erhält der Federkörper eine hohe Steifigkeit in zwei Richtungen, die linear unabhängig voneinander sind.

Wegen der unterschiedlichen Ausrichtungen der Fasern und wegen der kreisförmigen Gestalt der Feder ist die Herstellung insgesamt aufwendig. Das heißt: das gewünschte Ziel, eine Faserverbund-Blattfeder preiswert herzustellen, ist auch mit dieser Art Feder nicht erreicht.

Die Aufgabe der Erfindung, wie sie im wesentlichen gemäß Anspruch 1 gelöst ist, besteht in der Beschreibung einer preiswert herstellbaren Faserverbund-Blattfeder. Dabei soll die Feder zudem möglichst auch gewichts- bzw. volumen-optimiert sein, d. h. bei geringst möglichem Gewicht bzw. Volumen eine größtmögliche Tragkraft bzw. ein größtmögliches elastisches Energiespeichervermögen bereitstellen.

Bevorzugte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Alternativen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße, aus Faserverbundwerkstoff (FVK) bestehende Blattfeder näher beschrieben.
Die Abb. 1a, 2 und 3 zeigen drei verschieden Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Blattfedern, jeweils im Längsschnitt;
Fig. 1b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der in Fig. 1a dargestellten Blattfeder; und
Fig. 1c und Fig. 1d zeigen alternative Ausführungsformen von Verbindungselementen, ebenfalls im Längsschnitt.
Die in Fig. 1a/b dargestellte Blattfeder (FVK-Lager) 2 besteht aus zwei Federelementen 4a, 4b mit rechteckigem Querschnitt. Diese Federelemente 4a, 4b sind aus Faserverbundkunststoff geradlinig je nach Mundstück rund oder flach im Strangpressverfahren strangpressgezogen oder pultrodiert und werden an ihren Enden mittels Verbindungselementen 6a, 6b gegenläufig kreisförmig oder parabelförmig gekrümmt gehaltert. D. h.: Im gekrümmten Einbauzustand sind die Federelemente 4a, 4b bikonvex vorgespannt.
Alternativ können die FVK-Federn auch bereits kreisförmig hergestellt sein, wobei die Federelemente dann aus Kreisabschnitten (Kreissegmenten) gebildet werden. Auf diese Weise ergibt sich ein preiswertes Erzeugnis.
Die in dem Faserverbundkunststoff eingebetteten Fasern sind statistisch oder makroskopisch homogen verteilt. Durch die bikonvexe Wölbung der Federelemente 4a, 4b ergibt sich ein - verglichen mit geradligen Federelementen - größerer Federweg und eine bessere Vorspannung in der Federmitte.
Die Verbindungselemente 6a, 6b bestehen z. B. aus Gummi, Kunststoff, Keramik oder Metall und weisen schräg geneigte Schlitze 8a, 8b, 8c, 8d zur Aufnahme der Enden der Federelemente 4a, 4b auf. Zur besseren Halterung sind zwischen den Federelementen 4a, 4b und den Verbindungselementen 6a, 6b in den Schlitzen 8a, 8b, 8c, 8d insgesamt vier Zwischenlagen 10a, 10b, 10c, 10d eingefügt.
Wenn die Verbindungselemente 6a, 6b nachgiebig sind, kann auf die Zwischenlagen 10a, 10b, 10c, 10d verzichtet werden. Sind die Verbindungselemente 6a, 6b sehr steif (z. B. Metallguss oder -Strangzugprofil) bewirken diese eine Quasi-Einspannung der Federn. Weichere Verbindungselemente 6a, 6b (z. B. Kunststoff- oder Elastomerprofil) bewirken eine elastische Einspannung bis hin zur Gelenkwirkung.
In der Mitte der beiden Federelemente 4a, 4b befindet sich jeweils ein Krafteinleitungsbauteil 12a, 12b aus Gummi/Metall.
Sowohl die beiden Krafteinleitungsbauteile 12a, 12b (Metall-/Kunststoffflachmaterial + Elastomerflachmaterial) als auch die beiden Verbindungselemente 6a, 6b sind so gestaltet, dass keine oder nur geringe Spannungs- /Dehnungsüberhöhungen auftreten. Die Federelemente 4a, 4b werden in den Schlitzen 8a, 8b, 8c, 8d der Verbindungselemente 6a, 6b verklebt und/oder kraftschlüssig eingebaut.
Aufgrund der vorgespannten Federelemente 4a, 4b aus Faserverbundkunststoff ergibt sich nach der statischen Einfederung (Motorgewicht z. B.) ein günstiger Spannungszustand im Krafteinleitungsbereich (Vorspannungen mit anderem Vorzeichen als Lastspannungen). Im vorgespannten Zustand ist die Richtung der Vorspannung anders als die Richtung der Lastspannung. Eine Dämpfung des Lagers 2 wird durch das Elastomermaterial der Verbindungselemente 6a, 6b oder durch mit tixotroper oder elektro-/magneto-rheologisch schaltbarer Flüssigkeit gefüllte Hohlräume 14a, 14b der Verbindungselemente 6a, 6b erreicht. Bei großen Amplituden (bzw. niederfrequent oder quasi-statisch) ist das Lager 2 steifer als bei kleinen (hochfrequenten) Amplituden ("tixotroper Effekt").
Die in Fig. 2 dargestellte Blattfeder 2 weist einen vergleichbaren Aufbau auf. Anstelle der Verbindungselemente 6a, 6b gemäß Fig. 1a/b sind hier die beiden Federelemente 4a, 4b mittels scharnierartiger Gelenke (Drehlager) 16a, 16b zusammengehalten. Bei vorgespannten Federelementen 4a, 4b wird die bikonvexe Gestalt mittels keilförmiger Spreizelemente 18a, 18b aus Gummi oder geschäumtem Polymeren realisiert. Bei Federelementen 4a, 4b, die bereits kreisbogenförmig hergestellt worden sind, kann auf derartige Spreizelemente verzichtet werden.
Die Fig. 3 zeigt eine Blattfeder 2 dessen Federelemente 4a, 4b nicht gewölbt vorgespannt sind. Diese Feder 2 eignet sich besonders für Anwendungen zur Schwingungsaufnahme ohne Grundlast. Ähnlich wie gemäß Fig. 1 sind hier die beiden Federelemente 4a, 4b endseitig in Verbindungselementen 6a, 6b gehaltert. Und ähnlich wie gemäß Fig. 1 können die Verbindungselemente 6a, 6b aus mehr oder weniger hartem oder weichem Material hergestellt sein. Auch können die Verbindungselemente 6a, 6b gemäß Fig. 3 Hohlräume aufweisen, die vorzugsweise mit tixotroper Flüssigkeit gefüllt sind.
Krafteinleitungsbauteile 12a, 12b vervollständigen auch diese Blattfeder 2.
Die FVK-Lager 2 können auch aus Blattfederpaketen (z. B. 2 × 2 Federelemente 4a, 4b) bestehen. Bezugszeichenliste 2 Blattfeder (FVK-Lager)
4a, 4b Federelement
6a, 6b Verbindungselement
8a, 8b, 8c, 8d Schlitz
10a, 10b, 10c, 10d Zwischenlage
12a, 12b Krafteinleitungsbauteil
14a, 14b tixotrope Flüssigkeit, mit tixotroper Flüssigkeit gefüllter Hohlraum
16a, 16b Drehlager, scharnierartiges Gelenk
18a, 18b Spreizelement, Keil
20a, 20b Anschlag, Stopper

Claims

1. Blattfeder (2) mit folgenden Merkmalen:
die Blattfeder (2) besteht aus mindestens zwei Federelementen (4a, 4b), die
aus Faserverbundkunststoff
im Strangpressverfahren geradlinig oder im Wickelverfahren kreisbogenförmig hergestellt sind,
einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und
an ihren Enden mittels Verbindungselementen (6a, 6b) miteinander verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbindungselemente (6a, 6b) aus Gummi, Kunststoff, Keramik oder Metall bestehen und
dass sich in der Mitte der Federelemente (4a, 4b) jeweils ein Krafteinleitungsbauteil (12a, 12b) aus Gummi/Metall befindet.

2. Blattfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ursprünglich geradlinig oder kreisbogenförmig hergestellten Federelemente (4a, 4b) gegenläufig kreisförmig oder parabelförmig, d. h. bikonvex, gekrümmt und in diesem gekrümmten Zustand gehaltert sind.

3. Blattfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (6a, 6b) Schlitze (8a, 8b, 8c, 8d) zur Aufnahme der Federelemente (4a, 4b) aufweisen.

4. Blattfeder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (8a, 8b, 8c, 8d) paarweise parallel zueinander angeordnet oder paarweise V-förmig zueinander geneigt sind.

5. Blattfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Halterung der Federelemente (4a, 4b) in den Schlitzen (8a, 8b, 8c, 8d) insgesamt vier Zwischenlagen (10a, 10b, 10c, 10d) eingefügt sind.

6. Blattfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die beiden Krafteinleitungsbauteile (Metall- /Kunststoffflachmaterial + Elastomerflachmaterial (12a, 12b) als auch die beiden Verbindungselemente (6a, 6b) so gestaltet sind, dass keine oder nur geringe Spannungs- /Dehnungsüberhöhungen auftreten.

7. Blattfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (4a, 4b) verklebt und/oder kraftschlüssig in die Verbindungselemente (6a, 6b) eingebaut und an den Krafteinleitungsbauteilen (12a, 12b) befestigt sind.

8. Blattfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (6a, 6b) aus Elastomer oder einem weichen Kunststoff bestehen und jeweils einen mit tixotroper oder elektro-/magneto-rheologischer Flüssigkeit gefüllten Hohlraum (14a, 14b) oder einen steifen, aus Metall oder Keramik bestehenden Kern aufweisen.

9. Blattfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbindung der Federelemente (4a, 4b) miteinander in Gestalt von Drehlagern (16a, 16b) ausgebildet sind, und
dass die bikonvexe Gestalt durch Vorspannung mittels zwischen den Federelementen (4a, 4b) eingefügten Spreizelementen (18a, 18b) aus Gummi realisiert ist oder
dass die Federelemente (4a, 4b) von vornherein kreisbogenförmig ausgebildet sind.

10. Blattfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Anschlag/Stopper (20a, . . .) aus Elastomer vorgesehen ist.