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Die
Erfindung betrifft eine Blattfeder aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff,
bei dem die Fasern ungekürzt von einem axialen Ende der
Blattfeder bis zu deren anderen Ende verlaufen und in einem Kunststoff
eingebettet sind, sowie ein Krafteinleitungselement für
diese Blattfeder.
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Eine
Blattfeder mit einem solchen Faserverlauf ist beispielsweise aus
der
DE 10 2004
010 768 A1 bekannt. Wie die Faserverbundblattfeder gemäß der
DE 102 21 589 A1 verdeutlicht,
weist diese zur Erfüllung ihres Gebrauchszwecks einen mittleren Krafteinleitungsbereich
sowie zwei weitere Krafteinleitungsbereiche an ihren axialen Enden
auf. Diese Krafteinleitungsbereiche dienen zur Befestigung der Blattfeder
mittels gesonderter Befestigungselemente an der Fahrzeugstruktur
bzw. an Fahrwerksbauteilen, um so eine Abfederung derselben zu ermöglichen.
Während die endseitigen Krafteinleitungsbereiche mittels
der Befestigungselemente unbeweglich an den ihnen zugeordneten Bauteilen
angelenkt sind, kann bisher nicht ausgeschlossen werden, dass der mittlere
Befestigungsbereich bei einer Einfederung eine unerwünschte
Axialbewegung vollzieht. Dies kann zu einer Beschädigung
des Blattfedergefüges führen, da die gekrümmte
Blattfeder in diesem mittleren Krafteinleitungsbereich üblicherweise
von metallischen und halbschalig ausgebildeten Befestigungselementen
umgriffen und fixiert ist.
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Ein
Durchbohren der Faserverbundblattfeder und Einsetzen eines Zentriermittels
ist insbesondere bei kleineren und schmalen sowie dünnen
Blattfedern keine Alternative, da beim Durchbohren der Blattfeder
viele ihrer Fasern unvorteilhaft durchtrennt werden. Wenn bei Faserverbundblattfedern
dennoch eine solche technische Lösung bevorzugt wird, so geht
dies einher mit einer Verbreiterung der Blattfeder, um die auftretenden
Lasten während der vorgesehenen Lebensdauer unbeschadet
aufnehmen zu können.
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Um
eine Beschädigung einer solchen Faserverbundblattfeder
im mittleren Befestigungsbereich zu vermeiden, wird in der
EP 0 425 880 A1 vorgeschlagen,
einen Zwischenschicht zwischen dem metallischen Krafteinleitungselement
und dem Federkörper anzuordnen, die aus einem gießfähigen
und aushärtenden Kunststoff besteht. Zwar wird der Federkörper
durch das Einbringen einer Schutzschicht zwischen derselben und
dem metallischen Befestigungselement geschützt, die Herstellung
einer solchen Befestigungsanordnung wird jedoch als sehr aufwendig
und daher teuer beurteilt. Zudem ist nicht auszuschließen,
dass während des Gebrauchs der Blattfeder an einem Fahrzeug
die auftretenden Bewegungen die Zwischenschicht derart belasten,
dass deren Zerstörung noch vor dem Lebensdauerende der
Blattfeder eintritt und damit diese ebenfalls gefährdet
bzw. unbrauchbar macht.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Blattfeder aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff vorzustellen,
die in ihrem mittleren Befestigungsabschnitt derart ausgebildet
ist, dass eine für diese beschädigungsfreie Verbindung
mit einem diesbezüglichen Krafteinleitungselement möglich
ist. Dabei soll die Blattfeder keine Durchtrennungen von einzelnen
Fasern aufweisen, um diese ungekürzt von einem zum anderen
axialen Ende derselben verlaufen zu lassen. Zudem soll durch die
Ausbildung der Blattfeder erreicht werden, dass diese bei ihrem
Gebrauch auch in ihrem mittleren Befestigungsabschnitt keine Axialbewegung
vollführt.
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Die
Lösung dieser Aufgabe wird durch eine Faserverbundblattfeder
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs erreicht. In einem weiteren
unabhängigen Patentanspruch wird ein Krafteinleitungselement
vorgestellt, welches mit der erfindungsgemäßen
Blattfeder zusammenwirkt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen
sind den jeweils zugeordneten Unteransprüchen entnehmbar.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine entsprechende
Formgebung der Blattfeder bei deren Herstellung Aufnahmebereiche für
ein Krafteinleitungselement geschaffen werden können, in
die Bestandteile dieses Krafteinleitungselementes form- und kraftschlüssig
einsetzbar sind. Dieser Form- und Kraftschluss zwischen Blattfeder und
Krafteinleitungselement ermöglicht eine sichere und auf
eine vergleichsweise große Fläche verteilte Krafteinleitung
in die Blattfeder. Daher ist die mechanische Belastung der Blattfeder
in Richtung ihrer Längserstreckung während ihrer
Nutzung einerseits gering, andererseits wird eine Axialbewegung
der Blattfeder wegen der form- und kraftschlüssigen Verklinkung
zwischen den genannten Bauteilen sicher vermieden.
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Demnach
betrifft die Erfindung zunächst eine Blattfeder aus einem
Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, bei dem die Fasern ungekürzt
von einem axialen Ende der Blattfeder bis zu ihrem anderen Ende verlaufen
und in einem Kunststoff eingebettet sind. Zur Lösung der
gestellten Aufgabe ist zudem vorgesehen, dass die Blattfeder in
Bereich eines mittleren Befestigungsabschnitts senkrecht zu ihrer
Längsachse zumindest eine Einengung aufweist, in die ein
Bestandteil eines Krafteinleitungselements form- und kraftschlüssig
einsetzbar ist.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Blattfeder
ist vorgesehen, dass diese im Bereich des mittleren Befestigungsabschnitts
senkrecht zu ihrer Längsachse sowie senkrecht zur zumindest
einen Einengung wenigsten eine Aufwölbung aufweist, auf
die ein Bestandteil des Krafteinleitungselements form- und kraftschlüssig
auflegbar ist. Durch diesen Aufbau ermöglicht die Blattfeder,
dass diese an dieser Seite form- und kraftschlüssig von Bestandteilen
des Krafteinleitungselements umgriffen werden kann, wobei über
diesen Bestandteil des Krafteinleitungselements eine die Blattfeder
weiter fixierende Flächenpressung auf beiden Seiten ausgeübt
werden kann.
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Bevorzugt
kann vorgesehen sein, dass die Blattfeder zwei gegenüberliegende
Einengungen und zwei gegenüberliegende Aufwölbungen
in ihrem Querschnittprofil aufweist.
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Bei
einem Einsatz der Blattfeder in einem Fahrzeug, beispielsweise in
einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, ist bevorzugt vorgesehen,
dass die Einengungen in denjenigen Flächen der Blattfeder
ausgebildet sind, deren Flächennormale nach dem Einbau
der Blattfeder in ein Fahrzeug im Wesentlichen horizontal ausgerichtet sind,
und dass die Aufwölbungen in denjenigen Flächen
der Blattfeder ausgebildet sind, deren Flächennormale im
eingebauten Zustand der Blattfeder im Wesentlichen vertikal ausgerichtet
sind.
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Um
die Herstellung der Blattfeder kostengünstig gestalten
zu können, ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass
das Faservolumen derjenigen Fasern und das Kunststoffvolumen desjenigen Kunststoffs,
die bei der Formgebung der Blattfeder aus dem Bereich der zumindest
einen Einengung verdrängt wurden, im Bereich der zumindest
einen Aufwölbung angeordnet sind. Durch diese Konstruktion
wird erreicht, dass das Faservolumen und das Kunststoffvolumen entlang
der Längserstreckung der Blattfeder jedenfalls nicht in
demjenigen Bereich an die veränderte Blattfedergeometrie
angepasst werden muss, an dem das mittlere Krafteinleitungselement
befestigt wird. Bevorzugt wird sogar, bis auf die Endabschnitte, über
annähernd die gesamte Länge der Blattfeder deren
Faserverbundwerkstoffvolumen pro Längeneinheit konstant
gehalten.
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Hinsichtlich
der Tiefe der zumindest einen Einengung in der Blattfeder wird ein
Wert von 5% bis 15% der Breite der Blattfeder als ausreichend erach tet,
um den gewünschten Formschluss zwischen der Blattfeder
und dem mittleren Krafteinleitungselement zu gewährleisten.
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Die
Höhe der zumindest einen Aufwölbung ergibt sich
bevorzugt durch das im Bereich der Einengungen verdrängte
Materialvolumen des Federkörpers sowie der axialen Länge
der Aufwölbung. Als vorteilhaft hat sich bei einer bestimmten
Bauweise ein Wert für die Höhe der Aufwölbung
von 10% bis 20% der Gesamthöhe der Blattfeder im Bereich
dieser Aufwölbung herausgestellt. Sofern zwei gegenüberliegende
Aufwölbungen an der Blattfeder ausgebildet sind, wird die
Höhe einer jeden Aufwölbung zwischen 5% und 10%
der Gesamthöhe der Blattfeder im Bereich dieser Aufwölbungen
betragen. Die axiale Länge der Einengungen und der Aufwölbungen
ist bevorzugt annähernd identisch.
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Hinsichtlich
der Werkstoffe der erfindungsgemäßen Blattfeder
werden unidirektional ausgerichtete Kunstfasern oder Kunstfasergewebe
bevorzugt, wobei die Fasern beispielsweise als Glasfasern oder Karbonfasern
ausgebildet sind, während als Kunststoff eine Epoxydharzmatrix
oder eine Thermoplastmatrix bevorzugt wird.
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Wie
bereits erwähnt wurde, ist die Blattfeder gemäß der
Erfindung besonders für den Einbau in ein Kraftfahrzeug
geeignet und weist neben dem mittleren Krafteinleitungsabschnitt
an ihren axialen Enden jeweils einen weiteren Krafteinleitungsabschnitt
auf.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Krafteinleitungselement für
eine Faserverbundblattfeder, die zumindest gemäß einigen
der geschilderten erfindungsbezogenen Merkmale ausgebildet ist.
So ist vorgesehen, dass das Krafteinleitungselement mehrteilig ausgebildet
ist, wobei zumindest ein erstes Befestigungselement zum form- und
kraftschlüssigen Eingriff in die zumindest eine Aussparung
der Blattfeder ausgebildet ist, während zumindest ein zweites Befestigungselement
zur Auflage auf der zumindest einen Aufwölbung der Blattfeder
ausgebildet ist.
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Um
die Blattfeder sicher aufnehmen zu können, ist zudem vorgesehen,
dass die Befestigungselemente des Krafteinleitungselements miteinander verbindbar
ausgebildet sind. Die Verbindung der einzelnen Befestigungselemente
erfolgt bevorzugt mittels Schrauben.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Krafteinleitungselements ist vorgesehen,
dass die ersten Befestigungselemente als Winkelstücke ausgebildet sind,
mit zumindest einem, in die Aussparung der Blattfeder eingreifenden
Schenkel, und mit zumindest einem die Blattfeder über ihre
Breite wenigstens teilweise untergreifenden Schenkel.
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Ein
weiteres Merkmal des Krafteinleitungselements ist, dass die ersten
Befestigungselemente als im Querschnitt L-förmige Winkelstücke
oder als im Querschnitt U-förmige Winkelstücke
ausgebildet sind. Demgegenüber sind die genannten zweiten
Befestigungselemente im Querschnitt plattenförmig oder
als U-förmige Winkelstücke ausgebildet.
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Zur
weiteren Erläuterung der Erfindung ist der Beschreibung
eine Zeichnung beigefügt. In dieser sind mehrere Ausführungsbeispiele
dargestellt, auf die nachfolgend eingegangen wird. Im Einzelnen zeigt
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1 eine
schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße
Blattfeder mit einem angedeuteten Faserverlauf, in deren seitlichen
Einengungen Befestigungselemente eines Krafteinleitungselements
eingefügt werden,
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2 eine
Seitenansicht A der Blattfeder gemäß 1,
in der eine Aufwölbung derselben erkennbar ist,
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3 eine
weitere Seitenansicht einer Blattfeder mit zwei Aufwölbungen
und einem Krafteinleitungselement mit zwei im Querschnitt U-förmigen
Befestigungselementen,
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4 einen
Querschnitt BB durch die Blattfederanordnung gemäß 2,
jedoch im verschraubten Zustand, und
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5 einen
Querschnitt CC durch die Blattfederanordnung gemäß 3.
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Die
Blattfeder 1 ist in 1 derart
dargestellt, dass auf diejenige Seite geschaut wird, die bei einem
Einbau in ein Fahrzeug nach unten oder nach oben weist, weshalb
deren Flächennormale im Wesentlichen vertikal im Fahrzeug
ausgerichtet ist. Die 2 und 3 zeigen
eine Blattfeder 1', 1'' von derjenigen langen
Seite, deren Flächennormale nach einem Einbau der Blattfeder
in ein Fahrzeug im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
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Demnach
zeigt 1 schematisch eine Faserverbundblattfeder 1,
deren Fasern 2 über die gesamte axiale Länge
derselben ungekürzt bzw. nicht unterbrochen verlaufen.
Dies garantiert eine sehr hohe Belastbarkeit der Blattfeder bei
vergleichsweise geringen Abmessungen. Bei der Herstellung der Blattfeder 1 wurde
diese, vorzugsweise durch horizontales Ablegen von einzelnen Prepreg-Lagen
in einer Form so geformt, dass in einem mittleren Befestigungsabschnitt 20 derselben
zwei Einengungen 15, 16 im Querschnittsprofil
ausgebildet sind, deren Formgebung die Fasern 2 unverletzt
folgen. Die beiden Einengungen 15 und 16 schnüren
die Blattfeder 1 in einer Richtung senkrecht zur Längsachse 19 derselben
ein, wobei die axialen Enden der Einengungen 15, 16 unter
einem solchen Winkel axial auslaufen, der von einem rechten Winkel
abweicht. Die Tiefe t der Einengungen 15, 16 beträgt
jeweils etwa 5% bis 15% der Blattfederbreite b.
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Während
in die erste Einengung 15 bereits ein als Winkelstück
ausgebildetes Befestigungselement 5 eines Krafteinleitungselements 21 eingesetzt ist, erfolgt
in der dargestellten Situation der 1 gerade
das Einschwenken eines zweiten als Winkelstück ausgebildeten
Befestigungselementes 6. Diese Winkelstücke 5, 6 weisen
an einem Schenkel eine solche Geometrie auf, dass diese formschlüssig
in die jeweils zugeordnete Einengung 15 bzw. 16 eingefügt
werden können. Mit einem zweiten Schenkel 7 untergreifen
die Winkelstücke 5, 6 die Blattfeder 1, 1'' über
deren Breite b ganz oder nur teilweise.
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Der
bei der Nutzung von kostengünstig herstellbaren rechteckigen
Prepreg-Lagen durch die Formgebung der Blattfeder 1, 1', 1'' im
Bereich der Einengungen 15, 16 entstandene Materialüberschuss
dient bei der Herstellung derselben, wie die Seitenansicht A der
Blattfeder 1' in 2 zeigt,
zur Ausbildung von zumindest einer Aufwölbung 3,
deren Höhe h etwa 10% bis 20% der Gesamthöhe H
der Blattfeder 1, 1' ausmacht. Die Aufwölbung 3 erhebt sich
an der Blattfeder 1, 1', 1'' in einer
Richtung, die senkrecht zu deren Längsachse 19 und
senkrecht zu den Einengungen 15, 16 ausgerichtet
ist.
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Wie 2 verdeutlicht,
sind die beiden als Winkelstücke ausgebildeten Befestigungselemente 5, 6 mit
einem weiteren Befestigungselement 10 des Krafteinleitungselements 21 fest
verbindbar, welches auf der Oberseite der Aufwölbung 3 angeordnet
ist. In die Befestigungselementen 5, 6 und 10 eingebrachte Bohrungen 8, 9, 11, 12 mit
Schraubgewinde ermöglichen das Einschrauben und Festziehen
von Befestigungsschrauben 17 und 18, so dass die
Befestigungselemente 5, 6, 10 unverlierbar
miteinander verbunden sind und das Krafteinleitungselement 21 nach
dessen Verbindung mit einem ortsfesten Fahrzeugbauteil die Blattfeder 1, 1' axial
unbeweglich einspannt.
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Die
in 3 dargestellte Blattfeder 1'' weist weitgehend
den gleichen Aufbau und die gleiche Geometrie auf wie die Blattfedern 1, 1' gemäß den 1 und 2.
Sie hat jedoch zwei Aufwölbungen 3 und 4,
deren Gesamtvolumen demjenigen Volumen entspricht, welches durch
die Ausbildung der beiden Einengungen 15 und 16 an
diesen Stellen im Federkörper verdrängt wor den
ist. Die Einspannung dieser Blattfeder 1'' in ihrem mittleren
Befestigungsabschnitt 20 erfolgt jedoch mit einem Krafteinleitungselement 22,
welches aus zwei im Wesentlichen U-förmigen Befestigungselementen 13 und 14 aufgebaut
ist, die mittels in Gewindebohrungen 8, 9, 11, 12 eingeschraubte
Schrauben 17, 18 zusammengehalten sind. Zur Befestigung
des Krafteinleitungselements 22 an einer ortsfesten Fahrzeugstruktur
dient ein an dem oberen U-förmigen Befestigungselement 13 festgeschweißter
Schraubbolzen 23.
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Die 4 und 5 zeigen
schematische Querschnittsdarstellungen der Blattfedern 1' und 1'' in
den Schnittebenen BB bzw. CC der 2 und 3.
Wie in beiden 4 und 5 erkennbar
ist, greifen die vertikalen Schenkel der als Winkelstücke ausgebildeten
Befestigungselemente 5, 6 bzw. 13, 14 in
die Einengungen 15 und 16 der Blattfedern 1' und 1'' formschlüssig
ein. Während bei der Blattfeder 1' gemäß 4 die
nur eine, obere Aufwölbung 3 von einem plattenförmigen
Befestigungselement 10 des Krafteinleitungselements 21 abgedeckt
ist, sind gemäß 5 die beiden
Befestigungselemente 13 und 14 des Krafteinleitungselements 22 im
Wesentlichen U-förmig ausgebildet, wobei deren längere, obere
bzw. untere Schenkel auf den jeweils zugeordneten Aufwölbungen 3 bzw. 4 aufliegen,
und deren kurze Schenkel in die Einengungen 15, 16 der
Blattfedern 1', 1'' form- und kraftschlüssig
eingreifen.
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- 1
- Blattfeder
- 2
- Faser
- 3
- Obere
Aufwölbung
- 4
- Untere
Aufwölbung
- 5
- Erstes
Befestigungselement, Winkelstück
- 6
- Erstes
Befestigungselement, Winkelstück
- 7
- Unterer
Schenkel des Winkelstücks 6
- 8
- Bohrung
- 9
- Bohrung
- 10
- Zweites
Befestigungselement, Platte
- 11
- Bohrung
- 12
- Bohrung
- 13
- Zweites
Befestigungselement, oberes Winkelstück
- 14
- Erstes
Befestigungselement, unteres Winkelstück
- 15
- Einengung
- 16
- Einengung
- 17
- Schraube
- 18
- Schraube
- 19
- Längsachse
der Blattfeder
- 20
- Mittlerer
Befestigungsabschnitt der Blattfeder
- 21
- Krafteinleitungselement
- 22
- Krafteinleitungselement
- 23
- Schraubbolzen
- b
- Breite
der Blattfeder
- t
- Tiefe
der Einengung
- h
- Höhe
der Aufwölbung
- H
- Gesamthöhe
der Blattfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004010768
A1 [0002]
- - DE 10221589 A1 [0002]
- - EP 0425880 A1 [0004]