DE102005054314A1

DE102005054314A1 - Spiralfederanordnung und Federelement

Info

Publication number: DE102005054314A1
Application number: DE200510054314
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof. Dr. Scharr
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Scharr Gerhard Profdr 18107 Elmenhorst/li De
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2007-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spiralfederanordnung mit einem in einer Ebene spiralförmig gewundenen Federelement, wobei die Enden des Federelementes relativ zueinander bewegbar sind, insbesondere durch Bewegung wenigstens eines der Enden um eine Drehachse, wobei das Federelement (1) einen Faser-Kunststoff-Verbund umfasst, insbesondere aus einem Faser-Kunststoff-Verbund besteht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Federelement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spiralfederanordnung mit einem in einer Ebene spiralförmig gewundenen Federelement, wobei die Enden des Federelementes relativ zueinander bewegbar sind, insbesondere durch Bewegung wenigstens eines der Enden um eine Drehachse.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Federelement, insbesondere zum Einsatz in einer derartigen Spiralfederanordnung.

Federn gehören zu den grundlegenden Konstruktionselementen im Maschinenbau. Sie finden sich in verschiedenartigen Anwendungen in sehr vielen Bereichen der Technik wieder, beispielsweise zur Lagerung und/oder Dämpfung von Massen oder zur Erzeugung von Rückstellkräften bei einer Verformung. Im Idealfall wächst der Verformungsweg linear mit der Kraft, wobei die Verformung elastisch und insofern reversibel ist. Dies bedeutet, dass an einer Feder mechanische Arbeit verrichtet und durch eine Feder gespeichert werden kann, so dass die gespeicherte Arbeit bzw. Energie zu einem späteren Zeitpunkt abgegeben werden kann, z.B. in Form von kinetischer Energie an ein System, in welchem eine derartige Feder eingebettet ist. Durch das Abgeben der Energie kehrt üblicherweise die Feder nach der Lösung der Belastung in ihre Ausgangslage zurück.

Diese Eigenschaft der Energiespeicherung ermöglicht die Verwendung von Federn für den Energie-, Kraft- und Wegausgleich. So finden Federn im Maschinenbau vielfältige Anwendung, z.B. als Speicherelemente, Messelemente, Schwingungs- und Dämpfungselemente sowie Ruhe- und Lageelemente.

Die zahlreichen verschiedenen Aufgaben bedingen eine Vielzahl von Federarten und Federformen. Üblicherweise werden dabei für die Realisierung von Federn Metalle eingesetzt.

Nachteilig bei Federn aus Metall ist es dabei, dass derartige Federn oftmals nur eine sehr begrenzte Lebensdauer aufweisen, da sie zu Ermüdungsbrüchen bei häufiger Beanspruchung neigen, eine hohe Masse aufweisen und darüber hinaus elektrisch leitend sind, was oftmals in speziellen Anwendungen unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spiralfederanordnung bzw. ein Federelement bereitzustellen, mittels dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden und welches insbesondere die Fähigkeit aufweist, ohne Ermüdungserscheinungen Auslenkungen rückzustellen und leicht gegenüber bekannten Federanordnungen ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Spiralfederanordnung der eingangs genannten Art, bei dem das Federelement einen Faserkunststoffverbund umfasst, insbesondere aus einem Faserkunststoffverbund besteht. Weiterhin wird die Erfindung gelöst durch ein Federelement mit diesen vorgenannten Merkmalen.

Eine derartige Spiralfederanordnung kann eingesetzt werden, beispielsweise als mechanischer Energiespeicher, als Rücksteller für Messinstrumente, als Uhrenlaufwerk, als Rückstellsystem für Gurte, als Starter für Benzinmotoren, elastische Torsionskupplungen oder sonstige beliebige weitere denkbare Anwendungen. Wesentlich für diese Spiralfederanordnung ist es, dass das Federelement in einer Ebene spiralförmig gewunden bzw. gewickelt ist, wobei es zur relativen Bewegung der Enden des Federelementes zueinander vorgesehen sein kann, dass ein Ende fest eingespannt ist und das andere Ende gegenüber dem ortsfesten Ende bewegbar ist, wodurch sich das Federelement elastisch verformen kann. Die spiralförmige Wicklung des Federelementes in einer Ebene zeichnet sich dadurch aus, dass die einzelnen, umeinander angeordneten Wicklungen einander nicht berühren, sondern zueinander beabstandet sind, wie dies beispielsweise von einer archimedischen Spirale bekannt ist.

Um bei einer ortsfesten Befestigung eines der Federelemente, hier bevorzugt des inneren Endes des Federelementes, eine Bewegung des anderen Elementes zu erreichen, kann es vorgesehen sein, dass insbesondere das äußere Ende um eine Drehachse bewegbar ist, wobei diese Drehachse in bevorzugter Ausführung durch die Spiralachse gegeben sein kann. So kann in einer konstruktiven Ausgestaltung der Spiralfederanordnung das äußere Ende des Federelementes an einem Ende eines Dreharms befestigt sein, dessen anderes Ende mit einer Drehachse bzw. Drehwelle verbunden ist, die insbesondere koaxial zur Spiralachse verläuft.

Wird demnach bei einer derartigen Konstruktion das äußere an einem radial außen liegenden Ende des Dreharms befestigten Ende bewegt, so ergibt sich eine elastische Verformung der Spiralfederanordnung, welche bei einer Verformung aus der Gleichgewichtslage eine Rückstellkraft in die Gleichgewichtslage erzeugt. Diese Rückstellkraft kann insbesondere an der Drehachse bzw. Drehwelle, an welcher der Dreharm angelenkt ist, abgegriffen werden.

Ebenso kann das äußere Ende ortsfest ausgestaltet sein und das innere Ende um eine Drehachse, insbesondere die Spiralachse drehbar sein.

In bevorzugter Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Federelement bzw. die erfindungsgemäße Spiralfederanordnung mit einem derartigen Federelement ausgebildet als Draht oder Band oder Hohlprofil aus einem faserverstärkten Kunststoff, wobei dieser Draht bzw. dieses Band insbesondere einen runden, rechteckigen oder auch ovalen Querschnitt aufweisen kann. Beliebige andere Querschnittsformen sind ebenso möglich.

Die Ausbildung des Federelementes in einer derartigen Spiralfederanordnung bzw. allgemein eines Federelementes als Band oder Hohlprofil bzw. Draht aus einem faserverstärkten Kunststoff weist gegenüber bekannten metallischen Bändern wesentliche Vorteile auf, die sich im Wesentlichen durch die Beständigkeiten und Unanfälligkeit hinsichtlich Ermüdungsbrüchen und die spezifische Festigkeit des Materials, d.h. die Festigkeit pro Gewicht, auszeichnet. Auch sind üblicherweise derartige Faserverbundwerkstoffe elektrisch isolierend, so dass sich hierdurch Vorteile für spezielle Anwendungsgebiete erschließen.

Insbesondere durch das verbesserte Ermüdungsverhalten, die Dichte und dadurch das reduzierte Gesamtgewicht wird eine derartige Konstruktion gerade für den Kfz-Bau interessant. Darüber hinaus sind derartige Konstruktionen korrosionsbeständig.

In einer bevorzugten Ausführung der Spiralfederanordnung bzw. des Federelementes kann es vorgesehen sein, dass die Fasern des Federelementes als Endlosfasern ausgebildet sind, die insbesondere in Längs- bzw. Bindungsrichtung des Bandes und des Federelementes verlaufen. Auch kann es vorgesehen sein, dass das Federelement eine Querverstärkung aufweist durch Fasern, deren Richtung quer zur Richtung der Endlosfasern ist. Die Faserverstärkungen können in einer alternativen Ausgestaltung auch z.B. durch ein Gewebe, insbesondere ein Gewebeband und/oder Gewebeschlauch und/oder Flechtband und/oder Flechtschlauch gebildet sein.

Bei allen Ausführungen des Federelements gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses z.B. aus Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- oder Stahlfasern bzw. sonstiger Metallfasern aufgebaut sein, welche in eine Kunststoffmatrix, z.B. aus Duro- oder Thermoplasten bzw. auch aus Elastomeren eingebracht worden sind.

In weiterer bevorzugter alleiniger oder mit anderen beschriebenen Ausführungen kombinierbarer Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Kunststoffmatrix des Faser-Kunststoff-verstärkten Federelementes Nanopartikel umfasst, insbesondere wobei der Anteil an Nanopartikel bis zu 10 Volumenprozent beträgt. Als Nanopartikel können z.B. Siliziumdioxid oder Kohlenstoff-Nano-Röhrchen (CNT – Carbon Nano Tubes) eingesetzt werden. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften, wie z.B. die Steifigkeit und Bruchdehnung positiv beeinflusst.

Eine besonders stabile und steife Ausgestaltung kann erreicht werden, wenn das Federelement gebildet ist durch eine Anordnung von wenigstens zwei Schichten eines Faserkunststoffverbundes, wobei zwischen jeweils zwei Schichten ein Kernmaterial angeordnet ist. Ein derartiges Kernmaterial kann beispielsweise gebildet werden durch einen Kunststoff, insbesondere eine Wabenanordnung oder einen Schaumstoff. Auch kann ein Kern selbst wieder als Faser-Kunststoff-Verbund ausgebildet sein. Insbesondere die Ausbildung eines Federelementes als Federband mit wenigstens zwei Bandschichten, zwischen denen ein Kernmaterial angeordnet ist, aber auch die vorgenannten Ausführungen ergeben besondere Möglichkeiten, einer derartigen Spiralfederanordnung eine gewünschte Formgestaltung aufzuprägen, in der die Spiralfederanordnung entweder spannungsfrei ist oder aber bewusst eine Vorspannung in einer bestimmten Richtung aufweist.

In einer weiteren alternativer Ausgestaltung, die mit vorherigen Ausgestaltungen kombinierbar ist, kann es vorgesehen sein, dass das Faser-Kunststoff-verstärkte Federelement wenigstens zwei miteinander verbundene Faser-Kunststoff-verstärkte Schichten aufweist, wobei benachbarte Schichten unterschiedliche Fasermaterialien aufweisen, insbesondere Glasfasern und Kohlenstofffasern. Hierbei kann in bevorzugter Ausführung z.B. das Federelement dreischichtig sein, wobei eine Schicht eines Glasfaser-Kunststoff-Verbundes (GFK) zwischen zwei Schichten eines Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbundes (CFK) eingebettet ist. Dieser Aufbau kann z.B. aus Kostengründen interessant sein, da GFK-Verbünde günstiger sind, als CFK-Verbünde, in dieser Anordnung jedoch die Stabilität des Federelements durch die CFK-Verbünde dominiert wird. Um eine Flexibilität der Anordnung zu wahren kann es vorgesehen sein, dass die einzelnen Schichten sehr dünn ausgeführt werden.

In alternativer oder kumulativ bevorzugter Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass das Federelement als Faserkunststoffverbund, insbesondere der vorgenannten Art ausgebildet ist, welches ein Funktionsmaterial umfasst. Ein derartiges Funktionsmaterial kann z.B. gebildet werden durch eine Formgedächtnislegierung und/oder eine Piezokeramik und/oder ein vom Matrixmaterial abweichenden Kunststoff, insbesondere um gewünschte spezielle Funktionen in das Federelement zu integrieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Spiralfederanordnung
2 eine geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Federbandes bzw. Federdrahtes
3: einen Ausschnitt aus einem dreischichtigen Federband
Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Spiralfederanordnung mit einem Federband oder Federdraht 1, welches spiralförmig um einen Spiralmittelpunkt M gewunden ist, wobei die Blattebene in dieser Darstellung die Spiralebene bildet. Erkennbar ist, dass die einzelnen Wicklungen der spiralförmigen Anordnung voneinander einen insbesondere äquidistanten Abstand aufweisen, sich demnach die einzelnen Lagen der Spirale nicht berühren. Das Ende 2 des Federdrahtes 1, welches hier das innere Ende der spiralförmig gewundenen Feder darstellt, ist hier ortsfest eingespannt. Hierbei liegt der Punkt der Einspannung lateral neben dem Mittelpunkt bzw. der Achse senkrecht zur Blattebene der Spirale.
Koaxial zur Achse, die durch den Mittelpunkt M der Spirale verläuft, wobei diese Achse senkrecht zur Blattebene ausgebildet ist, ist eine Drehwelle 3 angeordnet, an der ein Dreharm 4 befestigt ist, so dass sich der Dreharm 4 um die Drehwelle 3 bewegen kann. Am äußeren radialen Ende des Dreharms 4 ist das andere äußere Ende 5 des Federbandes 1 eingespannt. So wird durch eine Drehung des Dreharms 4 um die Welle 3 in beiden Drehrichtungen, ausgehend von der in der 1 gezeigten Nulllage, in der diese Anordnung bevorzugt spannungsfrei ist, eine Energie in der Spiralfederanordnung speichert, die durch Entlastung des Dreharms 4 wiederum aus dieser Spiralfederanordnung abgerufen werden kann. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass der Dreharm 4 sich gegebenenfalls mehrfach um 360 Grad drehen kann, wobei sich je nach Drehrichtung der Windungsabstand in der Spiralfederanordnung verringert oder vergrößert.
Wesentlicher Kerngedanke bei dieser Erfindung ist es, dass der Federdraht bzw. das Federband 1 aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, beispielsweise aus in Bandrichtung bzw. Windungsrichtung angeordneten endlosen Fasern, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind.
Nicht dargestellt sind in der 1 gegebenenfalls umliegende Konstruktionen zur Lagerung der Welle bzw. des festen Befestigungspunktes zum Festhalten des inneren Endes 2 des Federbandes. Diese Konstruktionen sind für die Erfindung nicht wesentlich.
Die 2 zeigt eine besondere Ausführung des erfindungsgemäßen Federbandes aus einem Faserkunststoffverbund, wobei in der 2 ein kurzer Ausschnitt in Längsrichtung des Bandes geschnitten senkrecht zu dessen Längsrichtung dargestellt ist.
Erkennbar ist hier, dass zwischen zwei Schichten eines Faserkunststoffverbundes, d.h. zwischen einer unteren Schicht 6 und einer oberen Schicht 7, die jeweils einen bandförmigen oder drahtförmigen Faserkunststoffverbund bilden, ein Kernmaterial 8 angeordnet ist. Dieses Kernmaterial kann wie vorgenannt z.B. durch einen Schaumstoff oder einen Wabenstoff oder ähnliches ausgebildet sein.
Neben der Möglichkeit, ein derartiges Kernmaterial 8 zwischen zwei Schichten anzuordnen und so einen Schichtverbund zu bilden, gegebenenfalls auch mit mehr als den hier dargestellten zwei Schichten 6 und 7 kann auch die Möglichkeit bestehen, das Federband 1 hohl auszubilden, wobei dann z.B. ein inneres Kernmaterial 8 von einem hohlförmigen Faserkunststoffverbund umschlossen wird.
Bei dieser Ausgestaltung stellt sich der Schnitt ebenso dar wie in der 2, wobei dann jedoch je nach Querschnittsform z.B. bei einem eckigen Querschnitt dieser Faserkunststoffverbund nicht nur oben und unten, sondern auch seitlich geschlossen ist.
Die 3 zeigt einen möglichen Aufbau des Federbandes als dreischichtigen Verbund, wobei eine GFK-Schicht in zwei CFK-Schichten eingebettet ist.

Claims

Spiralfederanordnung mit einem in einer Ebene spiralförmig gewundenen Federelement, wobei die Enden des Federelementes relativ zueinander bewegbar sind, insbesondere durch Bewegung wenigstens eines der Enden um eine Drehachse, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) einen Faser-Kunststoff-Verbund umfasst, insbesondere aus einem Faser-Kunststoff-Verbund besteht.
Spiralfederanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Ende (2) des Federelementes (1) ortsfest befestigt ist und das äußere Ende (5) um eine Drehachse, insbesondere um die Spiralachse bewegbar ist.
Spiralfederanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Ende (5) des Federelementes (1) an einem Ende eines Dreharmes (4) befestigt ist, dessen anderes Ende mit einer Drehachse bzw. Drehwelle (3) verbunden ist, insbesondere die koaxial zur Spiralachse verläuft.
Spiralfederanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) ausgebildet ist als Draht oder Band oder Hohlprofil aus einem faserverstärktem Kunststoff, insbesondere mit einem runden, rechteckigen oder ovalen Querschnitt.
Spiralfederanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Federelementes (1) als Endlosfasern ausgebildet sind, insbesondere die in Längs- bzw. Windungsrichtung des Federelementes (1) verlaufen.
Spiralfederanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) eine Querverstärkung aufweist durch Fasern, deren Richtung quer zur Richtung der Endlosfasern ist.
Spiralfederanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung des Federelementes (1) gebildet ist durch ein Gewebe, insbesondere ein Gewebeband und/oder Gewebeschlauch und/oder Flechtband und/oder Flechtschlauch.
Spiralfederanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) gebildet ist durch eine Anordnung von wenigstens zwei Schichten (6, 7) eines Faser-Kunststoff-Verbundes, wobei zwischen zwei Schichten (6, 7) ein Kernmaterial (8) angeordnet ist.
Spiralfederanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernmaterial (8) gebildet ist durch einen Kunststoff, insbesondere eine Wabenanordnung oder einen Schaumstoff.
Spiralfederanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) als Faser-Kunststoff-Verbund ausgebildet ist und ein Funktionsmaterial umfasst, insbesondere wobei das Funktionsmaterial gebildet ist durch eine Formgedächtnislegierung und/oder eine Piezokeramik und/oder einen vom Matrixmaterial abweichenden Kunststoff.
Federelement, dadurch gekennzeichnet, dass es gebildet ist durch eine Anordnung von wenigstens zwei Schichten (6, 7) eines Faser-Kunststoff-Verbundes, wobei zwischen zwei Schichten (6, 7) ein Kernmaterial (8) angeordnet ist.
Federelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernmaterial (8) gebildet ist durch einen Kunststoff, insbesondere eine Wabenanordnung oder einen Schaumstoff.
Federelement, insbesondere nach einem der Ansprüche 11 bis 12 oder Spiralfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser-Kunststoff-verstärkte Federelement (1) wenigstens zwei miteinander verbundene Faser-Kunststoff-verstärkte Schichten aufweist, wobei benachbarte Schichten unterschiedliche Fasermaterialien aufweisen, insbesondere Glasfasern und Kohlenstofffasern.
Federelement oder Spiralfederanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement dreischichtig ist und eine Schicht eines Glasfaser-Kunststoff-Verbundes zwischen zwei Schichten eines Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbundes eingebettet ist.
Federelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14 oder Spiralfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix des Faser-Kunststoff-verstärkten Federelementes (1) Nanopartikel umfasst, insbesondere wobei der Anteil an Nanopartikel bis zu 10 Volumenprozent beträgt.
Federelement, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es als Faser-Kunststoff-Verbund ausgebildet ist und ein Funktionsmaterial umfasst, insbesondere wobei das Funktionsmaterial gebildet ist durch eine Formgedächtnislegierung und/oder eine Piezokeramik und/oder einen vom Matrixmaterial abweichenden Kunststoff.
Federelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmaterial in Form von wenigstens einer Faser und/oder Folie ausgebildet ist, insbesondere wobei das Funktionsmaterial in den Faser-Kunststoff-Verbund einlaminiert oder auf diesen aufgebracht ist.