DE102008057462A1

DE102008057462A1 - Feder aus einem Faserverbundwerkstoff sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102008057462A1
Application number: DE200810057462
Authority: DE
Inventors: Matthias Voigt; Heiko Kempe
Original assignee: IFC Composite GmbH
Current assignee: Shandong Sinoma Composite Auto Parts Co Ltd Cn
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2028-11-15
Also published as: DE102008057462B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Feder aus einem Faserverbundwerkstoff, die zwei Endabschnitte und dazwischen angeordnete Windungsabschnitte aufweist. Dabei ist diese Feder (1) dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (2, 6) und die Windungsabschnitte (4, 5) über Umlenkabschnitte (3) einstückig miteinander verbunden sind, wobei alle Abschnitte (2, 3, 4, 5, 6) aus wechselweise übereinander gelegten, geometrisch unterschiedlich geformten und mäanderförmig gefalteten Lagen eines Faserverbundwerkstoffes bestehen. Vorzugsweise kommen Prepreg-Lagen (14, 15) zum Einsatz, welche entlang ihrer Längserstreckung sinus- oder kosinus-förmig verlaufen und wechselweise übereinander gelegt sind. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Feder.

Description

Die Erfindung betrifft eine Feder aus einem Faserverbundwerkstoff, die zwei Endabschnitte und dazwischen angeordnete Windungsabschnitte aufweist, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung derselben.
Federn sind als Konstruktionselemente des Maschinenbaus allgemein bekannt. So gibt es beispielsweise Blattfedern, Tellerfedern, Schraubenfedern oder Spiralfedern, die im Hinblick auf die ihnen zugeteilte Aufgabe in unterschiedlicher Geometrien, Abmessungen und Eigenschaften, beispielsweise als Zugfeder, als Druckfeder oder als Drehfeder, verwendet werden. Derartige Federn sind üblicherweise aus einem Federstahl hergestellt, welcher der Feder eine je nach Auslegung und Abmessung unterschiedliche Federkraft verleiht. Wenngleich derartige Stahl-Federn eine Reihe von Vorteilen aufweisen, so sind diese für einige Anwendungsfälle weniger gut geeignet. Insbesondere bei vergleichsweise großen Federn macht sich deren Gewicht nachteilig bemerkbar. So ist im modernen Fahrzeugbau der Bedarf für Federn entstanden, welche die gleichen oder bessere Eigenschaften als Stahl-Federn haben, aber dennoch leicht sind.
Vor diesem Hintergrund ist aus der DE 30 00 520 A1 eine mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte, schraubenförmig gewickelte Feder sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt geworden. Diese Faserverbundwerkstoff-Schraubenfeder besteht aus geflochtenen Kohlenstoff-Fasern und einer Menge eines als Einbettungsmaterial für die geflochtenen Fasern dienenden Harzes, wobei die Kohlenstoff-Fasern in einem Winkel von etwas plus oder minus 30° bis plus oder minus 60° zur Litzenachse geflochten sind.
Um eine solche kohlenstofffaserverstärkte Schraubenfeder herzustellen ist gemäß dem aus dieser Druckschrift bekannten Verfahren vorgesehen, dass man eine aus Kohlenstoff-Fasern bestehende Litze, in der Fasern in einem Winkel von etwas plus oder minus 30° bis plus oder minus 60° zur Litzenachse geflochten sind, mit einem als im wesentlichen geschlossenes, zusammenhängendes Einbettungsmaterial dienenden nicht erstarrten Harz tränkt, die so getränkte Litze in ein Nut wickelt, die sich schraubenförmig längs der Oberfläche eines zylindrischen Dorns erstreckt, und hierdurch dem mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfederverbundmaterial die Schraubenform verleiht, anschließend das als Einbettungsmaterial der Schraubenfeder dienendes Harz zum Erstarren bringt, und schließlich die feste Feder vom Dorn abnimmt.
Dieses Herstellverfahren wird als wenig praxisgerecht beurteilt, da insbesondere das Ausformen der erstarrten Feder von dem Dorn Schwierigkeiten bereitet. Außerdem lässt sich mit dem bekannten Herstellverfahren kein kontinuierlicher Herstellprozess verwirklichen, wodurch die Herstellkosten bei einem solchen Herstellverfahren vergleichsweise hoch sind.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Feder aus einem Faserverbundwerkstoff vorzuschlagen, mit denen Federn aus einem Faserverbundwerkstoff kontinuierlich und kostengünstig herstellbar sind. Zudem soll eine solche Feder hinsichtlich ihres Aufbaus beschrieben werden.
Die Lösung dieser Aufgaben ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 15 und 24 beschrieben, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen in den jeweils zugeordneten Unteransprüchen definiert sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich eine Feder aus einem Faserverbundmaterial durch ein mäanderförmiges Falten bzw. Formen eines kontinuierlich einer Fertigungsvorrichtung zugeführten Stranges aus Prepreg-Material herstellen lässt, wobei das Prepreg-Material bekanntermaßen aus Kunstfasern besteht, welche in einer nicht erstarrten Kunstharzmatrix eingebettet sind. Eine darauf aufbauende Erkenntnis besteht darin, dass die ein zelnen, durch das geschilderte Falten des Prepreg-Materials entstandenen Windungsabschnitte einer solchen Feder jeweils sequentiell nacheinander Aushärten müssen, bevor der nächste Windungsabschnitt durch Falten hergestellt und ausgehärtet wird. Eine zentrale Bohrung oder Öffnung in der fertig gestellten Feder lässt sich gemäß einer weiteren Erkenntnis durch ein Ablegen von mehreren Prepreg-Lagen vertikal übereinander erzeugen, die wechselweise einem Sinus- bzw. Kosinus-Kurvenverlauf folgen.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 weist eine erfindungsgemäße Feder aus einem Faserverbundwerkstoff daher zwei Endabschnitte und dazwischen angeordnete Windungsabschnitte auf, wobei die Endabschnitte und die Windungsabschnitte über Umlenkabschnitte einstückig miteinander verbunden sind, und bei der alle genannten Abschnitte aus wechselweise übereinander gelegten, geometrisch unterschiedlich geformten und mäanderförmig gefalteten Lagen eines Faserverbundwerkstoffes bestehen.
Eine solche Feder weist, grob betrachtet, in etwa die gleiche Form auf wie ein entlang seiner Längserstreckung mäanderförmig gefaltetes, rechteckiges Stück Papier, wobei die gefalteten Abschnitte alle von einem zentralen Loch durchdrungen sind. Sie weist dennoch alle wesentlichen Eigenschaften einer Feder, insbesondere einer Druck- oder Zugfeder, auf.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Faserverbundwerkstoff aus Prepreg-Lagen gebildet, welche entlang ihrer Längserstreckung sinus- oder kosinus-förmig verlaufen und wechselweise übereinander gelegt sind. Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass mehrere Schichten von sinus- oder kosinus-förmig verlaufenden Prepreg-Lagen vertikal derart übereinander gelegt sind, und dass die jeweiligen Prepreg-Lagen wechselweise dem Verlauf der gleichen Sinuskurve oder dem Verlauf der gleichen Kosinus-Kurve folgen.
Ein solchermaßen gebildeter Strang eines noch nicht abgebundenen Faserverbundmaterials weist in einer Draufsicht betrachtet entlang seiner Längs erstreckung zwei Prepreg-Hauptstränge auf, die jeweils dem Verlauf einer Sinus-Kurve bzw. einer Kosinus-Kurve folgen. Dabei wechseln die beiden Prepreg-Hauptstränge jeweils von rechts nach links und umgekehrt, wobei diese in den Überlagerungspunkten wechselweise oben oder unten liegen. Hierauf wird noch detaillierter im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel eingegangen.
Bei dieser Feder ist bevorzugt vorgesehen, dass dort, wo sich Lagen des Faserverbundwerkstoffes kreuzen, die jeweiligen Umlenkabschnitte der Feder gebildet sind.
Sofern die technischen Randbedingungen es erfordern, kann gemäß einer Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Feder vorgesehen sein, dass deren Endabschnitte und Windungsabschnitte als Flächengebilde mit weitgehend planen Oberflächen und die Umlenkabschnitte gekrümmt ausgebildet sind. Durch eine solche gekrümmte, und demnach nicht scharfkantig gefaltete Ausbildung der Umlenkabschnitte werden vorteilhaft Spannungsspitzen in dem Material der fertigen Feder vermieden.
Um geradflächige sowie horizontal ausgerichtete Lagerstellen der Feder auszubilden ist bevorzugt vorgesehen, dass die Endabschnitte der Feder entlang einer Querachse Ly rechtwinklig zur Längsachse Lx der Feder ausgerichtet angeordnet sind.
Abweichend davon weisen die Windungsabschnitte einen Steigungswinkel in Richtung der Längserstreckung der Feder auf, so dass diese Windungsabschnitte entsprechend der Faltung unter einem Winkel α in Bezug zu den Endabschnitten angeordnet sind, der größer als 0° und kleiner als 45° ist.
Wie bereits kurz angedeutet weist eine erfindungsgemäß hergestellte Feder zwei Endabschnitte auf, die zeitlich nacheinander ausgehärtet sind. Ein weiteres Merkmal einer solchen erfindungsgemäß hergestellten Feder besteht darin, dass die Endabschnitte und die Windungsabschnitte über die Längserstreckung der Feder gesehen jeweils zeitlich nacheinander ausgehärtet sind. In Weiterentwicklung dieses Merkmals kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Endabschnitt und ein genau diesem Endabschnitt zugeordneter Umlenkabschnitt gleichzeitig ausgehärtet sind. Außerdem kann ein strukturelles Merkmal einer erfindungsgemäß hergestellten Faserverbundmaterial-Feder darin bestehen, dass die Windungsabschnitte jeweils mit einem zugeordneten Umlenkabschnitt gleichzeitig ausgehärtet sind.
Abweichend hiervon kann in einer als schlechter eingeschätzten, weil diskontinuierlich hergestellten Feder vorgesehen sein, dass bei dieser Feder sowohl die Endabschnitte als auch die Umlenk- und Windungsabschnitte gleichzeitig ausgehärtet sind. Dieses gleichzeitige Aushärten kann beispielsweise nach einem Ablegen eines Abschnittes des Faserverbund-Materialstrangs auf einer gefalteten Oberfläche einer Form sowie ein anschließendes Pressen des Faserverbund-Materialstranges unter Wärmeeinwirkung erfolgen.
Als weniger vorteilhaft wird die gerade beschriebene Feder sowie das zugehörige Herstellverfahren deswegen beurteilt, weil bei diesem diskontinuierlichen Herstellverfahren die Fasern des Faserverbund-Materialstranges nicht unter einer Zugbelastung ausgehärtet werden können. Hierdurch sind die Fasern des Faserverbund-Materialstranges der Feder zu wenig gerichtet geordnet, so dass nicht optimale Eigenschaften einer solchen Feder erwartet werden.
Daher ist bei einer nach einem bevorzugten Herstellverfahren produzierten Faserverbundmaterial-Feder vorgesehen, dass deren einander zugeordneten Abschnitte, nämlich jeweils Endabschnitt und Umlenkabschnitt sowie Windungsabschnitt und Umlenkabschnitt, unter einer Zugbelastung der Fasern des Faserverbundwerkstoffs ausgehärtet sind. Diese Zugbelastung ist zur Erhaltung des Sinus- bzw. Kosinus-Verlaufs der Prepreg-Lagen nicht sonderlich hoch, sie reicht aber aus, damit die Fasern der Feder im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, wodurch auch ein optimales Verhältnis von Faseranteil zu Harzanteil in der fertigen Feder erzeugt ist. Dies liegt unter anderem daran, dass sich das Kunstharz bei parallel zueinander ausgerichteten Fasern besonders gut zwischen den Fasern verteilen sowie überschüssiges Kunstharz leichter abfließen kann.
Damit eine erfindungsgemäß hergestellte Faserverbundmaterial-Feder gewünschte mechanische Eigenschaften hat kann vorgesehen sein, dass die Materialdicke der Umlenkabschnitte größer als die Materialdicke der Endabschnitte und der Windungsabschnitte ist.
Noch wichtiger ist die Einstellung des Faservolumenanteils in den jeweiligen Federquerschnitten, also in den Endabschnitten, den Windungsabschnitten und den Umlenkabschnitten der Feder, wodurch die dort vorliegenden Federeigenschaften bestimmt sind. Der Faservolumenanteil ist dabei der prozentuale Anteil der Fasern in einem jeweiligen Bauteilquerschnitt des Faserverbundwerkstoffes. Beträgt beispielsweise der Anteil des Kunstharzes in einem solchen Bauteilquerschnitt 34%, so beträgt der Faservolumenanteil an dieser Stelle 66%. Je höher der Faservolumenanteil in einem bestimmten Federabschnitt ist, desto steifer ist die Faserverbundfeder an dieser Stelle. Andererseits ist dieser Federabschnitt umso weicher eingestellt, je geringer der Anteil der Fasern in dem betrachteten Bauteilquerschnitt ist.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Faservolumenanteil in den Umlenkabschnitten größer ist als in den Endabschnitten und in den Windungsabschnitten, so dass in den dynamisch besonders stark beanspruchten Umlenkabschnitten der Feder eine erhöhte Steifigkeit realisiert ist.
Bei einer anderen Auslegung kann vorgesehen sein, dass der Faservolumenanteil in den Umlenkabschnitten kleiner ist als in den Endabschnitten und in den Windungsabschnitten, so dass in den Umlenkabschnitten der Feder eine geringere Bauteilsteifigkeit vorliegt.
Bei einer weiteren Auslegung kann vorgesehen sein, dass der Faservolumenanteil in den Umlenkabschnitten gleich ist wie in den Endabschnitten und in den Windungsabschnitten, so dass überall in der Faserverbundfeder die gleiche Bauteilsteifigkeit vorliegt.
Schließlich können die Umlenkabschnitte, die Endabschnitte und die Windungsabschnitte der Feder mit jeweils unterschiedlichen Faservolumenanteilen ausgebildet sein.
Die jeweilige Einstellung des Faservolumenanteils lässt sich durch ein mehr oder weniger starkes Herauspressen von noch nicht abgebundenem Kunstharz aus den Abschnitten der Faserverbundmaterial-Bahn erreichen.
Ein weiteres Merkmal einer erfindungsgemäß hergestellten Feder besteht darin, dass die Umfangskontur der Feder an jedem Endabschnitt und Windungsabschnitt im Bereich der Umlenkabschnitte geradlinig und in den dazwischen liegenden Bereichen der End- und Windungsabschnitte kreisbogenförmig ausgebildet ist. Die Geradlinigkeit der Umlenkabschnitte ist durch ein geradliniges Umlegen oder Falten des Faserverbund-Materialstranges erzeugt, während die kreisbogenförmige Geometrie der anderen Umfangsabschnitte durch den sinus- bzw. kosinusförmigen Verlauf der Prepreg-Lagen erzeugt wurde.
Weiter besteht ein weiteres vorteilhaftes Merkmal einer erfindungsgemäß ausgebildeten Feder darin, dass diese aufgrund des gewählten Sinus- bzw. Kosinus-Verlaufs und der gewählten Breite der Prepreg-Lagen quer zu deren Längserstreckung nach ihrem Aushärten eine zentrale Bohrung oder Ausnehmung aufweist, welche alle Endabschnitte und Windungsabschnitte der Feder durchdringt.
Als Grundmaterialien für die Prepreg-Lagen kommen Fasern aus Glas, Kohlenstoff oder beispielsweise Aramid in Frage. Zur Erzeugung der Harzmat rix der Prepreg-Lagen werden vorzugsweise duroplastische Harze verwendet, die mit Härtern und Beschleunigern gemischt sind.
Weiter sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Faserverbundmaterial-Feder vor, welcher folgende Verfahrensschritt aufweist:
S1: Zuführen von wenigstens zwei Prepreg-Bahnen zu einer Transportvorrichtung.
S2: Wechselweises Ablegen der wenigstens zwei Prepreg-Bahnen auf der Transportvorrichtung derart, dass eine Prepreg-Bahn einer Sinus-Kurve und die andere Prepreg-Bahn einer Kosinus-Kurve folgt, die eine gemeinsame, nicht ausgehärtete Faserverbundwerkstoff-Bahn bilden.
S3: Zuführen der nicht ausgehärteten Faserverbundwerkstoff-Bahn zu einem Heizgerät und Einziehen der Faserverbundwerkstoff-Bahn in einen Spalt zwischen zwei Heizwalzen, die in Förderrichtung gesehen hinter dem Heizgerät angeordnet sind.
S4: Umlenken der Faserverbundwerkstoff-Bahn um eine der beiden Heizwalzen um weniger als 181°.
S5: Stopp des Transports der Faserverbundwerkstoff-Bahn.
S6: Betätigen des Heizgerätes sowie der Heizung der von der Faserverbundwerkstoff-Bahn teilweise umschlungenen Heizwalze.
S7: Aushärten eines Endabschnitts oder eines Windungsabschnitts unter dem Heizgerät und gleichzeitiges Aushärten eines Umlenkabschnitts auf der Heizwalze.
S8: Weitertransport des ausgehärteten Endabschnitts oder des ausgehärteten Windungsabschnitts durch den Spalt der beiden Heizwalzen und gleichzeitiger Weitertransport des ausgehärteten Umlenkabschnitts durch Abheben des Umlenkabschnitts von der Heizwalze.
S9: Zuführen und Umlenken eines noch nicht ausgehärteten Abschnitts der Faserverbundwerkstoff-Bahn um die gegenüberliegende Heizwalze um weniger als 181°.
S10: Weiter mit Schritt S5 bis Schritt S9, solange, bis die gewünschte Länge der Feder erreicht ist.
S11: Abtrennen der Feder bei Erreichen einer bestimmten Länge.
S12: Abtransport der Feder und weiter mit Schritt S6.
Mit diesem Herstellverfahren lassen sich erfindungsgemäß ausgebildete Federn aus einem Faserverbundwerkstoff in einem kontinuierlichen Herstellprozess sehr kostengünstig produzieren. Das Aushärten der Faserverbundmaterial-Bahn unter dem Heizgerät und auf den Heizwalzen erfolgt zur Erzielung kurzer Taktzeiten vorzugsweise nur solange, bis diese Abschnitte der Feder ausreichend steif sind, um ihre dann vorliegende geometrische Form beizubehalten. Die in diesen Federabschnitten enthaltende Restwärme dient im weiteren Verfahrensablauf zum vollständigen Aushärten derselben.
Gemäß einer Weiterbildung dieses Herstellverfahrens ist vorgesehen, dass unter dem Heizgerät ein planer oder nur gering gekrümmter Abschnitt der Faserverbundmaterial-Bahn zu einem Endabschnitt oder zu einem Windungsabschnitt aushärtet wird. Wenngleich dieses Herstellmerkmal bevorzugt wird, so ist es nicht ausgeschlossen, die End- und Windungsabschnitte mehr oder weniger stark gekrümmt auszuhärten, sofern die gewünschte Geometrie der herzustellenden Feder dies erfordert.
Um zu Beginn der Produktion von erfindungsgemäßen Federn einen Federabschnitt vorliegend zu haben, mit dem die zukünftige Feder unter Zugspannung gehalten und mit einem noch nicht ausgehärteten Abschnitt leicht um die jeweilige Heizwalze geschlungen wird, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass zu Beginn der Herstellverfahrens ausschließlich unter dem Heizgerät und vor den Heizwalzen ein planer oder nur gering gekrümmter Abschnitt der Faserverbundmaterial-Bahn zu einem Endabschnitt aushärtet wird.
Außerdem ist vorgesehen, dass das Umlenken und ein Anpressen der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn auf der jeweils zugeordneten Heizwalze mit Hilfe wenigstens einer Anpress- und Umlenkwalze erfolgt. Durch diesen Verfahrensschritt wird erreicht, dass die Faserverbundmaterial-Bahn glatt und vollflächig auf der jeweiligen Heizwalze aufliegt sowie unter dem Einfluss einer Zugspannung unter dem Heizgerät und der auf der Heizwalze aushärten kann.
Um eine Umfangsgeometrie der herzustellenden Feder erzeugen zu können, die weitgehend der einer konventionellen Schraubenfeder aus einem Federstahl entspricht und um einen gewünschten Faservolumenanteil in bestimmten Querschnitten der Feder einzustellen, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Führung und Formgebung der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn vor dem Heizgerät und/oder auf den Heizwalzen so erfolgt, dass die Feder eine Umfangsgeometrie mit an den Umlenkabschnitten geraden Verlauf und zwischen diesen Umlenkabschnitten einen kreisabschnittförmigen Verlauf aufweist. Der sinus- bzw. kosinusförmige Verlauf der Prepreg-Lagen bietet hierzu die besten Voraussetzungen.
In diesem Zusammenhang wird es daher als vorteilhaft betrachtet, wenn das Herstellverfahren so betrieben wird, dass die Führung und Formgebung sowie die Einstellung des Faservolumenanteils der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn vor dem Heizgerät und/oder auf den Heizwalzen so erfolgt, dass die Materialdicke der Umlenkabschnitte größer ist als die Materialdicke der Endabschnitte sowie der Windungsabschnitte.
In Weiterbildung dieses zuletzt genannten Verfahrensschrittes ist bevorzugt vorgesehen, dass die noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn vor dem Heizgerät und/oder auf den Heizwalzen derartig quer zu ihrer Längserstreckung zusammengedrückt wird, dass die Materialdicke der Umlenkabschnitte größer ist als die Materialdicke der Endabschnitte sowie der Windungsabschnitte.
Die Feder wird zur Einstellung der konkreten Federeigenschaften von Abschnitten der Feder so hergestellt, dass der Faservolumenanteil der jeweiligen Umlenkabschnitte, Endabschnitte und Windungsabschnitte kleiner, gleich oder größer ist als der Faservolumenanteil der jeweils benachbarten Umlenkabschnitte, Endabschnitte und Windungsabschnitte. Die Einstellung des jeweiligen Faservolumenanteils wird vorzugsweise durch ein abschnittweises Herauspressen von noch nicht abgebundenem Kunstharz aus der zugeführten Faserverbundmaterial-Bahn erreicht.
Zur Einstellung und Fixierung des Steigungswinkels α der Windungsabschnitte der Feder kann gemäß einem weiteren Verfahrensschritt vorgesehen sein, dass der Steigungswinkel α der Windungsabschnitte durch ein Verschwenken der Heizwalzen um einen bestimmten Verschwenkweg über oder unter diejenige Ebene erfolgt, in der die Faserverbundmaterial-Bahn unter dem Heizgerät liegt.
Um das beschriebene Herstellverfahren durchführen zu können ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Feder aus einem Faserverbundmaterial notwenig, die nachfolgend kurz beschrieben wird. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch folgende Vorrichtungsbestandteile:

– eine Zuführzone zum Zuführen von wenigstens zwei Prepreg-Bahnen zu einer Transportvorrichtung,
– ein Ablege- und/oder Formwerkwerkzeug zum Ablegen und Formen der wenigstens zwei Prepreg-Bahnen auf der Transportvorrichtung, mit dem die Prepreg-Bahnen wechselweise dem Verlauf einer Sinus-Kurve oder dem Verlauf einer Kosinus-Kurve folgend zur Bildung einer gemeinsamen, nicht ausgehärteten Faserverbundwerkstoff-Bahn vertikal übereinander abgelegt werden,
– eine in Transportrichtung folgende und im Wesentlichen geradflächige Heizzone mit einem Heizgerät zum Formen und Aushärten von geradflächigen Endabschnitten und Windungsabschnitten der Feder,
– eine in Transportrichtung nach der Heizzone folgende Umlenkzone zum Formen und Aushärten von gekrümmten Umlenkabschnitten der Feder,
– zwei in der Heizzone gegenüberliegend angeordnete Heizwalzen, die einen Spalt zur Aufnahme der Faserverbundwerkstoff-Bahn zwischen sich bilden,
– ein Anpress- und Umlenkmittel zum wechselseitigen Auflegen und Anpressen von noch nicht ausgehärteten Abschnitten der Faserverbundwerkstoff-Bahn an eine der beiden Heizwalzen,
– und eine Trennvorrichtung zum Abtrennen von Federn vorbestimmter Länge von dem kontinuierlich hergestellten Verlauf der Feder.

Das Anpress- und Umlenkmittel kann durch eine oder mehrere Walzen oder Dorne bzw. Stäbe ausgebildet sein. Zudem kann gemäß einer Abwandlung vorgesehen sein, dass unter dem Heizgerät gekrümmte End- und Windungsabschnitte herstellbar sind. Da der Durchmesser der Heizwalzen den Umlenkradius der Umlenkabschnitte der Faserverbund-Feder bestimmt, sind diese vorzugsweise auswechselbar ausgebildet, um so unterschiedliche Feder-Chargen herstellen zu können.
Außerdem wird es als sehr vorteilhaft beurteilt, wenn in dieser Herstellvorrichtung eine Spannvorrichtung vorhanden ist, mit der im Zusammenwirken mit der Vorschubkraft der beiden angetriebenen Heizwalzen eine Zugkraft auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn während deren Aushärten erzeugbar ist.
Weiter ist bei dieser Herstellvorrichtung bevorzugt vorgesehen, dass im Bereich der Zuführzone und/oder unmittelbar vor den beiden Heizwalzen und/oder auf den beiden Heizwalzen Ablege- und/oder Formwerkzeugzeuge an die noch nicht ausgehärtete Faserverbundwerkstoff-Bahn ansetzbar sind, mit denen sich die Umfangsgeometrie und/oder der Faservolumenanteil von Abschnitten der herzustellenden Feder formen lässt.
Hierzu können die Oberflächen der beiden Heizwalzen selbst als Formwerkzeuge zur Formung und/oder Einstellung des Faservolumenanteils der noch nicht ausgehärteten Faserverbundwerkstoff-Bahn ausgebildet sein, so dass sich unterschiedliche Umfangsgeometrien und Federeigenschaften reproduzierbar herbeiführen lassen.
So können die Oberflächen der beiden Heizwalzen und/oder die genannten Ablege- und/oder Formwerkzeugzeug im Bereich der Zuführzone derartig ausgebildet sein, dass mit ihnen die Faserverbundwerkstoff-Bahn im Bereich der späteren Umlenkabschnitte quer zu deren Längserstreckung in ihrer Breite reduzierbar und in ihre Materialdicke vergrößerbar ist, oder dass der Faservolumenanteil in den Umlenkabschnitten gegenüber den benachbarten Windungsabschnitten vergrößert ist.
Schließlich weist die Herstellvorrichtung bevorzugt eine Schwenkvorrichtung auf, mit der die Heizwalzen über und unter diejenige Ebene verschwenkbar sind, in der die Faserverbundmaterial-Bahn unter dem Heizgerät liegt bzw. welche durch das Transportband der Transportvorrichtung aufgespannt ist. Durch ein solches Verschwenken der Heizwalzen lässt sich der Steigungswinkel α einstellen, unter dem die Windungsabschnitte quer zur Längserstreckung der Feder angestellt sind.
Nachfolgend werden eine erfindungsgemäß erzeugte Faserverbund-Feder, eine Herstellvorrichtung dafür sowie die zur Herstellung der Feder notwendigen Verfahrensschritte an Ausführungsbeispielen mit Hilfe einer Zeichnung erläutert. In dieser zeigt
1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten und hergestellten Faserverbund-Feder,
2 die Feder der 1 in perspektivischen Sicht A auf eine Stirnseite derselben,
3 eine schematische Darstellung einer Herstellvorrichtung zur Herstellung der Feder gemäß 1 und 2,
3a eine schematisch Draufsicht auf zwei übereinander gelegte Prepreg-Lagen, die dem Verlauf einer Sinus- bzw. Kosinus-Kurve folgen, und
4 bis 11 schematische Darstellungen von weiteren Produktionsschritten zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Feder.
Die 1 und 2 zeigen schematisch in einer Seitenansicht und in einer stirnseitigen Draufsicht A eine Zug- oder Druckfeder 1, die aus einem Faserverbundmaterial hergestellt ist. Die Feder 1 erstreckt sich entlang einer Längsachse Lx sowie zwei senkrecht dazu ausgerichteten Querachsen Ly und Lz, wobei die Querachse Lz in 1 senkrecht auf der Papierebene der Zeichnung steht. Die Feder 1 weist in der Seitenansicht gemäß 1 zwar die Form einer Schraubenfeder auf, sie hat aber keinen von einem axialen Ende bis zum anderen axialen Ende durchgehenden, eine Schraubenlinie folgenden Verlauf. Die Feder 1 hat stattdessen etwa eine ähnliche Geometrie, wie sie ein entlang seiner Längserstreckung regelmäßig mäanderförmig gefaltetes rechteckiges Blatt Papier aufweisen würde.
Demnach verfügt die Feder 1 an den jeweiligen axialen Enden über einen oberen Endabschnitt 2 und einen unteren Endabschnitt 6, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen mit nicht gekrümmten Oberflächen 12, 12' ausgebildet und parallel zu einer durch die Querachsen Ly und Lz aufgespannten Ebene ausgerichtet sind. Ausgehend von dem unteren Endabschnitt 6 folgt ein in Richtung der Längsachse Lx gebogener Umlenkabschnitt 3, der an seinem anderen Ende mit einem Windungsabschnitt 4 einstückig verbunden ist. Daran schließt sich ebenfalls einstückig ein weiterer, im Vergleich zum ersten Umlenkabschnitt entgegengesetzt gebogener Umlenkabschnitt 3 an, welche im Folgenden mit einem zweiten Windungsabschnitt 5 einstückig verbunden ist. Auf diese Weise setzt sich die Feder 1 bis zu ihrem oberen Endabschnitt 2 aus einer regelmäßigen Abfolge von Umlenkabschnitten 3 und Windungsabschnitten 4, 5 zusammen.
Um im Bereich der Umlenkabschnitte 3 einen gewünschten Faservolumenanteil einzustellen, der die mechanischen Eigenschaften der Feder 1 beeinflusst, kann die Feder 1 an ihrem Außenumfang im Bereich 3c der Endabschnitte 2, 6 und der Windungsabschnitte 4, 5 derartig geformt sein, dass die Umlenkabschnitte 3 im Wesentlichen geradlinig (siehe Ansicht B) und in den dazwischen liegenden Bereichen 3a, 3b im wesentlichen kreissegmentförmig ausgebildet sind.
Sofern der Faservolumenanteil im Vergleich zu den benachbarten Endabschnitten 2, 6 und Windungsabschnitten 4, 5 gleich bleiben soll, so führt die Überlagerung der Prepreg-Lagen 14, 15 in ihren Kreuzungspunkten in den Umlenkabschnitten 3 zu einer radial größeren Dicke D2 im Vergleich zu der Dicke D1 der Windungsabschnitte 4, 5.
Sofern der Faservolumenanteil im Bereich der Umlenkabschnitte 3 erhöht werden soll, so wird dies in dem Bereich der Umlenkabschnitte 3 durch ein Herauspressen von noch nicht abgebundenem Kunstharz erreicht und dadurch gleichzeitig die Dicke D2 der Umlenkabschnitt beispielsweise gleich oder annähernd gleich wie die der benachbarten Federabschnitte gehalten.
Durch das erfindungsgemäße Herstellverfahren und hierbei insbesondere durch die wechselweise sich kreuzenden sinus- bzw. kosinusförmigen Prepreg-Lagen 14, 15 wird erreicht, dass automatisch eine zentrale Ausnehmung in der fertigen Feder 1 ausgebildet ist, wie sie beispielsweise von herkömmlichen Schraubenfedern bekannt ist.
2 zeigt in einer stirnseitigen Ansicht der Feder 1, dass diese aus mehreren Prepreg-Lagen 14, 15 bzw. zwei Prepreg-Hauptsträngen mit jeweils einer Vielzahl von Prepreg-Lagen besteht, die im Bereich der Umlenkabschnitte 3 wechselweise übereinander gelegt sind. Um dies zu weiter zu verdeutlichen, ist die eine Prepreg-Lage 14 mit einer gepunkteten Stirnseite und die andere Prepreg-Lage 15 mit einer nicht gepunkteten Stirnseite dargestellt. Die beiden gestrichelten Linen markieren den Verlauf der einen Prepreg-Lage, die durch die andere Pepreg-Lage überdeckt ist.
In 3 ist eine Produktionsanlage zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Feder 1 aus Faserverbundmaterial schematisch dargestellt. Wie die rechte Zeichnungshälfte veranschaulicht, werden von zwei Prepreg-Rollen 16 und 17 Prepreg-Bahnen 14 bzw. 15 abgerollt. Zwischen zwei Prepreg-Lagen auf den Prepreg-Rollen 16, 17 befindliches Trennmittel 26, 27 (wie beispielsweise Papier) wird ebenfalls von den Rollen 16 und 17 abgenommen und gesondert aufgerollt. Die beiden Prepreg-Bahnen 14 und 15 werden anschließend von einer Spannrolle 25 beaufschlagt und dann derartig zusammengeführt, dass die eine Prepreg-Bahn 14 einen sinusförmigen und die andere Prepreg-Bahn 15 einen kosinusförmigen Verlauf aufweist. Daher überlagern sich beide Prepreg-Bahnen 14, 15 in Überlagerungspunkten der so gebildeten Faserverbundwerkstoff-Bahn 8, die im späteren Produktionsverlauf die Umlenkabschnitte 3 der Feder 1 bilden (siehe auch 3a). Über die Spannrolle 25 wirkt zumindest eine Gewichtskraft Fg und eine axiale Zugkraft Fx auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn 8, wodurch die Fasern der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 parallel zueinander ausgerichtet gehalten bleiben, ohne dass dabei die gerade beschriebene und in 3a dargestellte Geometrie der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 beeinträchtigt wird.
Die Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 wird im mittleren Abschnitt der 3 von einer Transportvorrichtung 19 in Richtung zu einem Heizgerät 10 und zwei in Transportrichtung gesehen hinter dem Heizgerät 10 angeordneten, gegen über liegenden Heizwalzen W1 und W2 transportiert. Die Transportvorrichtung 19 besteht aus einem wärmebeständigen Transportband 20, welches auf Rollen 22 geführt und von diesen in der Transportrichtung 21 angetrieben wird. Zwischen der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 und dem Transportband 20 kann wie im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Trenn- und Isolationsbahn 18 angeordnet sein, welche von einer Rolle 23 abgewickelt und nach dem Verlassen des Transportbandes 20 auf der gleichen oder einer anderen Rolle 24 aufgewickelt wird.
Die Transportvorrichtung 19 weist eine Zuführzone Z und eine sich in Transportrichtung 21 daran anschließende Heizzone H1 auf. In der Zuführzone Z ist ein Ablege- und/oder Formwerkwerkzeug 28 angeordnet, welches auf das Transportband 20 bzw. auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 absenkbar angeordnet ist. Mit diesem Ablege- und/oder Formwerkwerkzeug 28 kann die aus den beiden Prepreg-Bahnen 14 und 15 bestehende Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 so geformt werden, dass eine gewünschte Geometrie der herzustellenden Faserverbundfeder 1 erzeugbar ist bzw. auch unter der wirkenden Zugkraft Fx beibehalten wird. Das Formen der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 kann beispielsweise durch ein zumindest abschnittweises Einschnüren dieser Bahn 8 erfolgen, wodurch sich in bestimmten Abschnitten Materialanhäufungen bzw. Materialreduzierungen in der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 ergeben bzw. erhalten bleiben. Ein solches oder ein anderes bzw. weiteres Ablege- und/oder Formwerkwerkzeug 28 kann zur Erfüllung des gleichen Zwecks auch im Bereich der beiden Heizwalzen W1, W2 angeordnet und auf diese zwecks Formgebung absenkbar sein (nicht dargestellt).
In der Heizzone H1 ist wie schon erwähnt das Heizgerät 10 angeordnet, welches beispielsweise elektrisch oder auf andere Weise gepunktet gezeichnete Wärmestrahlung auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 abstrahlen kann. Alternativ zu der dargestellten Vorrichtung kann das Heizgerät 10 auch unterhalb des Transportbandes 20 angeordnet sein, und von unten auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 zum zumindest teilweisen Aushärten derselben ein wirken. Unabhängig von der Anordnung des Heizgerätes 10 dient dieses dazu, dass der im Bereich dieses Heizgerätes 10 befindliche Abschnitt der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 soweit ausgehärtet wird, dass er ein mechanisch steifes, also zumindest durch Einwirkung der Erdanziehungskraft nicht dauerhaft verformbares Gebilde darstellt.
Das freie Ende 13 der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 ist durch den von den beiden Heizwalzen W1 und W2 gebildeten Spalt 9 geführt und ragt durch diesen fern vom Heizgerät 10 hindurch. Die beiden Heizwalzen W1 und W2 werden mit einer Anpresskraft Fp auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 gepresst, die so eingestellt ist, dass einerseits eine gewünschte geometrische Form der zukünftigen Feder 1 erzeugbar ist und andererseits gegebenenfalls überschüssiges Harz aus der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 heraus pressbar ist (4).
In einer Umlenkzone U, die den Standort der beiden Heizwalzen W1, W2 mit einschließt, sind zwei Anpress- und Umlenkwalzen W3 und W4 angeordnet, die wechselweise arbeiten und mit deren Hilfe jeweils ein nicht ausgehärteter Abschnitt 11 der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 auf die jeweilige Heizwalze W1 bzw. W2 zur Bildung der Umlenkabschnitt 3 ablegbar und anpressbar ist.
Die beiden Heizwalzen W1 und W2 können ständig heizend betrieben sein, während das Heizgerät 10 nur während bestimmter Zeiträume Wärme auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 abgibt. Durch diesen Aufbau ist es möglich, dass in der Heizzone H1 im Bereich des Heizgeräts 10 ein Endabschnitt 2, 6 oder ein Windungsabschnitt 4, 5 der zukünftigen Feder 1 ausgehärtet wird, während die in der Zuführzone Z und in der Umlenkzone U befindlichen Abschnitte 11 der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 zunächst nicht ausgehärtet bleiben.
Wenn der unter dem Heizgerät 10 liegende Abschnitt der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 ausgehärtet ist, wird diese Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 soweit in Richtung 21 durch den Spalt 9 der beiden Heizwalzen W1, W2 transportiert, das der zuvor im Zuführzone Z befindliche und noch nicht ausgehärtete Abschnitt der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 im Umlenkabschnitt U angeordnet ist. Hier wird dieser noch nicht ausgehärtete Abschnitt der Bahn 8 durch eine der beiden Anpress- und Umlenkwalzen W3 oder W4 auf die Oberfläche einer der beiden Heizwalzen W1 oder W2 gedrückt und dieser Bahnabschnitt 11 dann auf dieser Heizwalze W1 oder W2 ausgehärtet. Gleichzeitig oder danach kann auch das Heizgerät 10 aktiv sein, so dass auch der im Bereich dieses Heizgerätes 10 befindliche Abschnitt der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 ausgehärtet wird.
Durch das wechselweise Anlegen des noch nicht ausgehärteten Abschnitts der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 auf der Heizwalze W1 oder W2 erfolgt eine Faltung der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8, in deren Ergebnis ein kontinuierlicher Produktstrang entsteht, von dem Federn 1, 1' vorbestimmter Länge abschneidbar sind.
Die in 1 dargestellte Steigung α der Windungsabschnitte 4, 5 der Feder 1 lässt sich bei der Herstellvorrichtung gemäß 3 durch ein wechselweises Verschwenken der beiden Heizwalzen W1 bzw. W2 einstellen, die um einen Schenkweg V(α) über bzw. unter diejenige Ebene schwenkbar angeordnet sind, in welcher die Faserverbundmaterial-Bahn 8 unter dem Heizgerät 10 liegt bzw. welche durch das Transportband 20 der Transportvorrichtung 19 aufgespannt ist.
Die 3 bis 12 zeigen die Herstellung einer erfindungsgemäßen Feder 1 in der Herstellvorrichtung gemäß 3 mit den Herstellschritten S1 bis S12 im Detail. In 3 sind die Produktionsschritte S1 bis S3 wie bereits erläutert dargestellt.
Zu Beginn des Herstellprozesses werden zwei Prepreg-Bahnen 14, 15 von Prepreg-Rollen 16, 17 abgerollt und unter Zugbelastung durch die Spann rolle 25 zu einer in einem Zuführzone Z angeordnete Transportvorrichtung 19 geführt. Dann werden die beiden Prepreg-Bahnen 14, 15 auf dem Transportband 20 der Transportvorrichtung 19 gemäß dem Verlauf einer Sinus-Kurve bzw. dem Verlauf einer Kosinus-Kurve abgelegt, wobei diese im Bereich der zukünftigen Umlenkabschnitte 3 der fertigen Feder 1 wechselweise übereinander liegen und eine noch nicht ausgehärtete Faserverbundmaterial-Bahn 8 bilden.
Anschließend wird die Faserverbundmaterial-Bahn 8 von der Transportvorrichtung 19 zu dem Heizgerät 10 transportiert und sodann mit ihrem freien Ende 13 durch den Spalt 9 der beiden Heizwalzen W1 und W2 gesteckt. Beim Produktionsbeginn wird nur das Heizgerät 10 aktiviert, so dass ein erster, gerader Abschnitt der Faserverbundmaterial-Bahn 8 aushärtet wird.
Die Einstellung des Faservolumenanteils von Abschnitten der Feder 1 kann in allen Produktionsphasen erfolgen, die vor dem Aushärten des Kunstharzes liegen.
4 zeigt den nächsten Produktionsschritt S4, bei dem der bereits ausgehärtete Abschnitt der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 zusammen mit einem noch nicht ausgehärteten Abschnitt 11 mit Hilfe der Anpress- und Umlenkwalze W4 um die Heizwalze W2 umgelenkt sind. Unter dem nicht aktiven Heizgerät 10 ist ebenfalls ein noch nicht ausgehärteter Abschnitt der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 angeordnet.
In 5 sind die dann folgenden Verfahrensschritte S5, S6 und S7 dargestellt, bei denen der Transport der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 gestoppt und die Heizwalze W2 sowie das Heizgerät 10 heizen. Dadurch werden der um die Heizwalze W2 geschlungene Abschnitt sowie der unter dem Heizgerät 10 angeordnete Abschnitt der Bahn 8 ausgehärtet. In 5 ist zudem angedeutet, dass das anfänglich freie Ende 13 der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 frühzeitig abgeschnitten wird.
Wie 6 entnehmbar ist, wird nach dem Aushärten des um die Heizwalze W2 geschlungenen Abschnitts und dem Aushärten des unter dem Heizgerät 10 angeordneten Abschnitts der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 die Transportvorrichtung 19 erneut aktiviert, so dass gemäß Produktionsschritt S8 der eine ausgehärtete Bahnabschnitt 3 von der Heizwalze W2 abhebt und der andere ausgehärtete Bahnabschnitt 4 durch den Spalt 9 der beiden Heizwalzen W1, W2 hindurch geschoben wird. 6 verdeutlicht auch, dass die geraden und bereits ausgehärteten Bahnabschnitte den unteren Endabschnitt 6 sowie den ersten Windungsabschnitt 4 der zukünftigen Feder 1 gemäß 1 bilden, während der auf der Heizwalze W2 ausgehärtete Abschnitt den Umlenkabschnitt 3 bildet.
In 7 ist der Produktionsschritt S9 dargestellt, bei dem erneut ein noch nicht ausgehärteter Abschnitt der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 durch den Spalt 9 der beiden Heizwalzen W1 und W2 hindurch transportiert und anschließend mit Hilfe der Anpress- und Umlenkwalze W3 auf der Heizwalze W1 abgelegt und aufgepresst wird. Das Heizgerät 10 ist dabei ausgeschaltet.
8 zeigt, wie erneut gemäß den Produktionsschritten S5 bis S7 die auf der Heizwalze W1 und unter dem Heizgerät 10 angeordneten und noch nicht ausgehärteten Abschnitte der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 durch Einwirkung von Wärmeenergie (gepunktete Linen) ausgehärtet werden. Oberhalb der Heizwalze W1 sind bereits produzierte und daher schon ausgehärtete Abschnitte der zukünftigen Feder 1 erkennbar.
In 9 und 10 sind die Produktionsschritte S8 und S9 dargestellt, bei denen im Schritt S8 der auf der Heizwalze W1 ausgehärtete Abschnitt der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 durch Weitertransport derselben durch den Spalt 9 der beiden Heizwalzen W1, W2 von der Heizwalze W1 abgehoben hat und der unter dem Heizgerät 10 ausgehärtete Abschnitt durch diesen Spalt 9 hindurchgeführt wurde. Im Schritt S9 wird ein weiterer zugeführter und noch nicht ausgehärteter Abschnitt der Faserverbundwerkstoff-Bahn 8 mittels der Anpress- und Umlenkwalze W4 auf die Heizwalze W2 aufgelegt und angepresst. Das Heizgerät 10 ist dabei ausgeschaltet und beide Heizwalzen W1, W2 können ebenfalls ausgeschaltet sein.
In 11 ist in einer Übersichtsdarstellung gezeigt, wie die Produktionsschritte S6 und S7 gerade ablaufen, während bereits eine größere Anzahl von Endabschnitten 2, 6, Umlenkungsabschnitten 3 und Windungsabschnitten 4, 5 hergestellt ist. Da die Anzahl dieser Abschnitte 2, 3, 4, 5, 6 für die Herstellung einer Feder 1 mit der Länge L bereits groß genug ist, wird in einem Produktionsschritt S11 eine Trennvorrichtung 29 aktiviert, welche die Feder 1 von dem Verlauf der nächsten, noch in der Herstellung befindlichen Feder 1' abtrennt. Die fertige Feder 1 wird in einem Produktionsschritt S12 abtransportiert und die Fertigungsvorrichtung gemäß 3 kontinuierlich weiter betrieben.

1: Feder
1': Feder während ihrer Produktion
2: Oberer Endabschnitt der Feder
3: Umlenkungsabschnitt
3a: Umfangsabschnitt der Feder
3b: Umfangsabschnitt der Feder
3c: Umfangsabschnitt der Feder
4: Windungsabschnitt
5: Windungsabschnitt
6: Unterer Endabschnitt der Feder
7: Axialbohrung in der Feder
8: Faserverbundwerkstoff-Bahn
9: Spalt zwischen den zwei Heizwalzen
10: Heizgerät
11: Noch nicht ausgehärteter Abschnitt der Bahn 8
12: Oberfläche des Endabschnitts 2
12': Oberfläche des Endabschnitts 6
13: Freies Ende der Faserverbundwerkstoff-Bahn
14: Prepreg-Bahn, Prepreg-Lage
15: Prepreg-Bahn, Prepreg-Lage
16: Prepreg-Rolle
17: Prepreg-Rolle
18: Trenn- und Isolationsmittel-Bahn
19: Transportvorrichtung
20: Transportband
21: Transportrichtung
22: Rolle der Transportvorrichtung
23: Trenn- und Isolationsmittel-Rolle
24: Trenn- und Isolationsmittel-Rolle
25: Spannrolle
26: Trennmittel
27: Trennmittel
28: Ablegewerkzeug, Formwerkzeug
29: Trennvorrichtung
30: Bohrer
31: Bewegungsrichtung des Bohrers
A: Stirnseite der Feder
B: Seitenansicht der Feder
Fg: Gewichtskraft der Spannrolle 25
Fp: Presskraft der Heizrollen W1, W2
Fx: Zugkraft auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn 8
H1: Heizzone unter dem Heizgerät
L: Länge der Feder
Lx: Längsachse der Feder
Ly: Querachse der Feder
U: Umlenkzone
S1–S12: Verfahrenschritte
V(a): Schwenkweg der Heizwalzen W1, W2
W1: Heizwalze
W2: Heizwalze
W3: Anpress- und Umlenkwalze, Anpress- und Umlenkmittel
W4: Anpress- und Umlenkwalze, Anpress- und Umlenkmittel
Z: Zuführzone
α: Steigung eines Windungsabschnitts 4, 5

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3000520 A1 [0003]

Claims

Feder (1) aus einem Faserverbundwerkstoff, die zwei Endabschnitte und dazwischen angeordnete Windungsabschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (2, 6) und die Windungsabschnitte (4, 5) über Umlenkabschnitte (3) einstückig miteinander verbunden sind, wobei alle Abschnitte (2, 3, 4, 5, 6) aus wechselweise übereinander gelegten, geometrisch unterschiedlich geformten und mäanderförmig gefalteten Lagen eines Faserverbundwerkstoffes bestehen.
Feder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Prepreg-Lagen (14, 15) verwendet sind, welche entlang ihrer Längserstreckung sinus- oder kosinus-förmig verlaufen und wechselweise übereinander gelegt sind.
Feder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten von sinus- oder kosinus-förmig verlaufenden Prepreg-Lagen (14, 15) vertikal derart übereinander gelegt sind, und dass die jeweiligen Prepreg-Lagen (14, 15) wechselweise dem Verlauf der gleichen Sinus-Kurve oder dem Verlauf der gleichen Kosinus-Kurve folgen.
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch diejenigen Bereiche der Feder (1), in denen sich die Lagen (14, 15) des Faserverbundwerkstoffes kreuzen, die jeweiligen Umlenkabschnitte (3) der Feder (1) gebildet sind.
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (2, 6) und die Windungsabschnitte (4, 5) als Flächengebilde mit weitgehend planen Oberflächen (12) und die Umlenkabschnitte (3) gekrümmt ausgebildet sind.
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (2, 6) entlang einer Querachse (Ly) rechtwinklig zur Längsachse (Lx) der Feder (1) ausgerichtet angeordnet sind.
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (2, 6) zeitlich nacheinander ausgehärtet sind.
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (2, 6) und die Windungsabschnitte (4, 5) über die Längserstreckung der Feder (1) gesehen jeweils zeitlich nacheinander ausgehärtet sind.
Feder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Endabschnitt (2, 6) und ein zugeordneter Umlenkabschnitt (3) gleichzeitig ausgehärtet sind.
Feder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsabschnitte (4, 5) jeweils mit einem zugeordneten Umlenkabschnitt (3) gleichzeitig ausgehärtet sind.
Feder nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugeordneten Abschnitte, nämlich Endabschnitt (2, 6) und Umlenkabschnitt (3) sowie Umlenkabschnitt (3) und Windungsabschnitt (4, 5), unter einer Zugbelastung (Fx) der Fasern des Faserverbundwerkstoffs ausgehärtet sind.
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumenanteil der Umlenkabschnitte (3) kleiner, gleich oder größer ist als der Faservolumenanteil der Endabschnitte (2, 6) und der Windungsabschnitte (4, 5).
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumenanteil der Umlenkabschnitte (3), der Endabschnitte (2, 6) und der Windungsabschnitte (4, 5) jeweils unterschiedlich ist.
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialdicke (D2) der Umlenkabschnitte (3) größer ist als die Materialdicke (D1) der Endabschnitte (2, 6) und der Windungsabschnitte (4, 5).
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangskontur (3a, 3b, 3c) der Feder (1) an jedem Endabschnitt (2, 6) und Windungsabschnitt (4, 5) im Bereich (3c) der Umlenkabschnitte (3) geradlinig und in den dazwischen liegenden Bereichen (3a, 3b) kreisbogenförmig ausgebildet ist.
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (1) aufgrund des gewählten Sinus- bzw. Kosinus-Verlaufs und der gewählten Breite der Prepreg-Lagen (14, 15) quer zu deren Längserstreckung nach ihrem Aushärten eine zentrale Bohrung (7) oder Ausnehmung aufweist, welche alle Endabschnitte (2, 6) und Windungsabschnitte (4, 5) der Feder (1) durchdringt.
Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsabschnitte (4, 5) unter einem Winkel (α) zu den Endabschnitten (2, 6) angeordnet sind, der größer als 0° und kleiner als 45° ist.
Verfahren zur Herstellung einer Feder (1) aus einem Faserverbundwerkstoff, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: S1: Zuführen von wenigstens zwei Prepreg-Bahnen (14, 15) zu einer Transportvorrichtung (19). S2: Wechselweises Ablegen der wenigstens zwei Prepreg-Bahnen (14, 15) auf der Transportvorrichtung (19) derart, dass eine Prepreg-Bahn (14) einer Sinus-Kurve und die andere Prepreg-Bahn (15) einer Kosinus- Kurve folgt, die eine gemeinsame, nicht ausgehärtete Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) bilden. S3: Zuführen der nicht ausgehärteten Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) zu einem Heizgerät (10) und Einziehen der Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) in einen Spalt (9) zwischen zwei Heizwalzen (W1, W2), die in Förderrichtung gesehen hinter dem Heizgerät (10) angeordnet sind. S4: Umlenken der Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) um eine der beiden Heizwalzen (W1, W2) um weniger als 181°. S5: Stopp des Transports der Faserverbundwerkstoff-Bahn (8). S6: Betätigen des Heizgerätes (10) sowie der Heizung der von der Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) teilweise umschlungenen Heizwalze (W1, W2). S7: Aushärten eines Endabschnitts (2, 6) oder eines Windungsabschnitts (4, 5) unter dem Heizgerät (10) und gleichzeitiges Aushärten eines Umlenkabschnitts (3) auf der Heizwalze (W1, W2). S8: Weitertransport des ausgehärteten Endabschnitts (2, 6) oder des ausgehärteten Windungsabschnitts (4, 5) durch den Spalt (9) der beiden Heizwalzen (W1, W2) und gleichzeitiger Weitertransport des ausgehärteten Umlenkabschnitts (3) durch Abheben des Umlenkabschnitts (3) von der Heizwalze (W1, W2). S9: Zuführen und Umlenken eines noch nicht ausgehärteten Abschnitts (11) der Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) um die gegenüberliegende Heizwalze (W2, W1) um weniger als 181°. S10: Weiter mit Schritt S5 bis Schritt S9, solange, bis die gewünschte Länge der Feder (1) erreicht ist. S11: Abtrennen der Feder (1) bei Erreichen einer bestimmten Länge (L). S12: Abtransport der Feder (1) und weiter mit Schritt S6.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass unter dem Heizgerät (10) ein planer oder nur gering gekrümmter Abschnitt der Faserverbundmaterial-Bahn (8) zu einem Endabschnitt (2, 6) oder zu einem Windungsabschnitt (4, 5) ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Herstellverfahrens ausschließlich unter dem Heizgerät (10) und vor den Heizwalzen (W1, W2) ein planer oder nur gering gekrümmter Abschnitt der Faserverbundmaterial-Bahn (8) zu einem Endabschnitt (2, 6) ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenken und ein Anpressen der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn (8) auf der jeweils zugeordneten Heizwalze (W1, W2) mit Hilfe wenigstens einer Anpress- und Umlenkwalze (W3, W4) erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der unter dem Heizgerät (10) und der auf der Heizwalze (W1, W2) aushärtende Abschnitt der Faserverbundmaterial-Bahn (8) während des Aushärtens einer Zugkraft (Fx) ausgesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung und Formgebung der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn (8) vor dem Heizgerät (10) und/oder auf den Heizwalzen (W1, W2) so durchgeführt wird, dass die Feder (1) eine Umfangsgeometrie mit an den Umlenkabschnitten (3) geraden Verlauf (3c) und zwischen diesen Umlenkabschnitten (3) einen kreisabschnittförmigen Verlauf (3a, 3b) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung und Formgebung der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn (8) vor dem Heizgerät (10) und/oder auf den Heizwalzen (W1, W2) so durchgeführt wird, dass der Faservolumenanteil der jeweiligen Umlenkabschnitte (3), Endabschnitte 2, 6) und Windungsabschnitte kleiner, gleich oder größer ist als der Faservolumenanteil der jeweils benachbarten Umlenkabschnitte, Endabschnitte und Windungsabschnitte (4, 5).
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung und Formgebung der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn (8) vor dem Heizgerät (10) und/oder auf den Heizwalzen (W1, W2) so durchgeführt wird, dass der Faservolumenanteil in dem Umlenkabschnitten (3) größer ist als der Faservolumenanteil in den Endabschnitten (2, 6) und in den Windungsabschnitten (4, 5).
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung und Formgebung der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn (8) vor dem Heizgerät (10) und/oder auf den Heizwalzen (W1, W2) so durchgeführt wird, dass der Faservolumenanteil in dem Umlenkabschnitten (3) kleiner ist als der Faservolumenanteil in den Endabschnitten (2, 6) und in den Windungsabschnitten (4, 5).
Verfahren nach Anspruch 24, 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, die Einstellung des jeweiligen Faservolumenanteils durch ein abschnittweises Herauspressen von noch nicht abgebundenem Kunstharz aus der zugeführten Faserverbundmaterial-Bahn (8) erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn (8) vor dem Heizgerät (10) und/oder auf den Heizwalzen (W1, W2) so quer zu ihrer Längserstreckung zusammengedrückt wird, dass die Materialdicke (D2) der Umlenkabschnitte (3) größer ist als die Materialdicke (D1) der Endabschnitte (2, 6) und der Windungsabschnitte (4, 5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (α) der Windungsabschnitte (4, 5) in der Feder (1) durch ein Verschwenken der Heizwalzen (W1, W2) um einen bestimmten Verschwenkweg (Vα) über oder unter diejenige Ebene erfolgt, in der die Faserverbundmaterial-Bahn (8) unter dem Heizgerät (10) liegt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Feder aus einem Faserverbundmaterial, gekennzeichnet durch, – eine Zuführzone (Z) zum Zuführen von wenigstens zwei Prepreg-Bahnen (14, 15) zu einer Transportvorrichtung (19), – ein Ablege- und/oder Formwerkwerkzeug (28) zum Ablegen und Formen der wenigstens zwei Prepreg-Bahnen (14, 15) auf der Transportvorrichtung (19), mit dem die Prepreg-Bahnen (14, 15) wechselweise dem Verlauf einer Sinus-Kurve oder dem Verlauf einer Kosinus-Kurve folgend zur Bildung einer gemeinsamen, nicht ausgehärteten Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) vertikal übereinander abgelegt werden, – eine in Transportrichtung (21) folgende und im Wesentlichen geradflächige Heizzone (H1) mit einem Heizgerät (10) zum Formen und Aushärten von geradflächigen Endabschnitten (2, 6) und Windungsabschnitten (4, 5) der Feder (1), – eine in Transportrichtung (21) nach der Heizzone (H1) folgende Umlenkzone (U) zum Formen und Aushärten von gekrümmten Umlenkabschnitten (3) der Feder (1), – zwei in der Heizzone (H1) gegenüberliegend angeordnete Heizwalzen (W1, W2), die einen Spalt (9) zur Aufnahme der Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) zwischen sich bilden, – ein Anpress- und Umlenkmittel (W3, W4) zum wechselseitigen Auflegen und Anpressen von noch nicht ausgehärteten Abschnitten (11) der Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) an eine der beiden Heizwalzen (W1, W2), – und eine Trennvorrichtung (29) zum Abtrennen von Federn (1) vorbestimmter Länge (L) von dem kontinuierlich hergestellten Verlauf der Feder (1').
Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannvorrichtung (25) vorhanden ist, mit der im Zusammenwirken mit der Vorschubkraft der beiden angetriebenen Heizwalzen (W1, W2) eine Zugkraft (Fx) auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) während deren Aushärtens erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Zuführzone (Z) und/oder unmittelbar vor den beiden Heizwalzen (W1, W2) und/oder auf den beiden Heizwalzen (W1, W2) ein Ablege- und/oder Formwerkzeugzeug (28) an die noch nicht ausgehärtete Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) ansetzbar ist, mit dem sich die Umfangsgeometrie und/oder der Faservolumenanteil von Abschnitten (2, 3, 4, 5, 6) der herzustellenden Feder (1) einstellen lässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der beiden Heizwalzen (W1, W2) als Formwerkzeuge zur Formung und/oder Einstellung des Faservolumenanteils der noch nicht ausgehärteten Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der beiden Heizwalzen (W1, W2) und/oder das Ablege- und/oder Formwerkzeugzeug (28) im Bereich der Zuführzone (Z) derartig ausgebildet sind, dass mit ihnen die Faserverbundwerkstoff-Bahn (8) im Bereich der späteren Umlenkabschnitte (3) quer zu deren Längserstreckung in ihrer Breite reduzierbar und in ihre Materialdicke (D2) vergrößerbar ist, oder dass der Faservolumenanteil in den Umlenkabschnitten (3) gegenüber den benachbarten Windungsabschnitten (4, 5) vergrößert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Heizwalzen (W1, W2) zur Einstellung des Steigungswinkels (α) der Windungsabschnitte (4, 5) der Feder (1) mittels einer Schwenkvorrichtung um einen Schwenkweg (Vα) über und unter diejenige Ebene schwenkbar sind, in welcher die Faserverbundmaterial-Bahn (8) unter dem Heizgerät (10) liegt bzw. welche durch das Transportband (20) der Transportvorrichtung (19) aufgespannt ist.