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Die Erfindung betrifft ein Stabbauteil aus einem gebogenen FVK-Rohr und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Kraftaufnehmende Bauteile wie eine Drehstabfeder, auch Dreh- oder Torsionsstab genannt, werden bisher vorwiegend aus Stahlstäben, Stahldraht oder Stahlrohren gefertigt. Die Drehstabfeder wird an beiden Enden fest eingespannt. Im Kraftfahrzeugbau werden Drehstabfedern im Fahrwerk überwiegend als Stabilisatoren oder als Federelemente für die Radaufhängung verwendet. Die mittels Drehstabfeder befestigten Bauteile können gegeneinander eine Schwenkbewegung um die Drehachse ausführen, wobei sich der Stab um seine Längsachse verdreht. Um zu vermeiden, dass sich der Drehstab in unerwünschter Weise verbiegt, wird auf der Drehseite ein Stützlager angeordnet. Länge und Durchmesser des Drehstabs sowie die Festigkeit des eingesetzten Stahls haben Einfluss auf den maximalen Winkel, um den der Drehstab verdreht werden kann.
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Allerdings bedingt die Verwendung von Stahl relativ hohe Bauteilgewichte mit den damit verbundenen Nachteilen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission. Außerdem sind nach dem Formen der Bauteile aus Stahl noch mehrere Fertigungsschritte, wie z. B. Vergüte-, Strahl- und Lackierprozesse nötig, damit die Betriebsfestigkeit der Teile erreicht wird.
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Bei Drehstabfedern müssen ferner die Lagerungselemente für die Stützlager am Fahrzeugchassis in einem zusätzlichen Arbeitsschritt angebracht werden.
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Um Stahlbauteile im Leichtbau zu substituieren, bietet sich bekannter Maßen die Verwendung von Faserverbundkunststoffen an, die ein geringes Gewicht mit hohen Festigkeiten verbinden.
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So ist aus
DE 199 33 432 B4 eine Aufhängung für ein Rad mit einem Lenker und diesen am Chassis federnd abstützenden Federmitteln aus Faserverbundwerkstoff bekannt.
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Während zur Herstellung des Lenkers ein Prepreg-Lege-Verfahren oder ein Harzinjektionsverfahren vorgeschlagen wird, werden die Drehstabfedern und der Drehstabstabilisator der Federmittel mit einem Wickel- oder Flecht-Verfahren hergestellt. Weitere Federmittel sind Federschenkel, die an einem lenkerfesten Lagerteil befestigt und über einen Steg miteinander verbunden sind, an dem das Rad gehaltert ist. Zwischen den Federschenkeln ist ein strebenartiges Stützelement angeordnet, das durch Umformung thermoplastischer Faserhalbzeuge hergestellt wird.
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DE 42 15 919 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen oder hohlen Formkörpern aus Thermoplastfaser/Verstärkungsfaser-Hybridgarn, das sich zur Herstellung von Golfschlägern, Baseballschlägern und Fahrradrahmen eignet. Dabei wird ein Geflecht aus dem Hybridgarn, das die Konturen des zu bildenden Formteils aufweist, auf einen dünnwandigen, dehnbaren Schlauch aufgezogen, der mit einem treibmittelhaltigen thermoplastischen Kunststoff gefüllt ist. Dieses Gebilde wird in eine mehrteilige Form eingelegt, die nach dem Schließen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Thermoplastfasern erhitzt wird, wobei das Hybridgarngeflecht zu einem faserverstärkten Formteil konsolidiert und der treibmittelhaltige thermoplastische Kunststoff im Inneren des dehnbaren Schlauchs aufschäumt wird, wodurch er einen das Hybridgarngeflecht gegen die Formwand pressenden Druck ausübt.
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DE 40 21 165 A1 beschreibt eine Drehstabfeder aus einem bidirektional verstärkten Faserverbundkunststoff zur Veränderung der Eigenfrequenz eines Feder-Massen-Systems. Dazu wird eine einzige Drehstabfeder verwendet, deren Federsteifigkeiten durch Veränderungen ihrer Querschnittsgeometrie in Abhängigkeit von dem jeweiligen Belastungszustand angepasst wird. Zur Querschnittsveränderung kann der Innendruck der Drehstabfeder, die zumindest im mittleren Abschnitt hohl ausgebildet ist, verändert werden. Der für den Faserverbundkunststoff eingesetzte Matrixwerkstoff kann im mittleren Stababschnitt zur erhöhten Querschnittselastizität ein Elastomer und in den Endabschnitten ein Duroplast sein. Um der Drehstabfeder die erforderliche Querschnittsstabilität zu verleihen ist ein Stützrohr vorgesehen, dessen Enden zusammen mit den Enden des rohrförmigen FVK-Stabs eingespannt sind.
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Faserverstärkte Werkstoffe aus duroplastischen Kunststoffen benötigen allerdings lange Verweilzeiten im Herstellwerkzeug zur Aushärtung, daher ist eine Großserienproduktion auf diesem Weg unwirtschaftlich.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges und betriebsfestes gebogenes FVK-Stabbauteil bereitzustellen, das zur Substitution von Stahlbauteilen vor allem im Kraftfahrzeugbau geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Stabbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die weitere Aufgabe ist die Schaffung eines großseriengeeigneten Verfahrens zur Herstellung gebogener FVK-Stabbauteile und wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Ein erfindungsgemäßes Stabbauteil wird aus einem Faserverbundkunststoff-Rohr gebildet, das wenigstens abschnittsweise einen nichtkreisrunden Querschnitt aufweist. Das FVK-Material des Rohrs ist zwei- oder mehrlagig, wobei die Verstärkungsfasern in jeder Lage unidirektional orientiert sind und sich die Faserorientierungen von zumindest zwei der Lagen unterscheiden.
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Erfindungsgemäß ist das Stabbauteil ein an einer oder mehreren Biegestelle(n) gebogenes. Das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs ist ein thermoplastischer Kunststoff. Das Rohr, das das Stabbauteil bildet, weist den nichtkreisrunden Querschnitt zumindest an den Biegestellen auf. Das Biegen des Rohrs an den Biegestellen bzw. die Herstellung des Stabbauteils in einem Stück inklusive seiner Biegungen wird überhaupt erst durch die Querschnittsänderung ermöglicht, indem dort ein nichtkreisrunder Querschnitt hergestellt wird, der in den Biegungen ein Strecken am Außenradius und eine Stauchung am Innenradius eines FVK-Rohrs gestattet. Die erfindungsgemäßen FVK-Stabbauteile können die gleichen Lasten und Kräfte aufnehmen, wie die vergleichbaren Bauteile aus den bekannten vergüteten Stählen.
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Liegen in dem Bauteil mehrere Biegestellen vor, so können sich die nichtkreisrunden Querschnitte der Biegestellen unterscheiden oder gleich sein. Ferner kann das Rohr an den Abschnitten zwischen den Biegestellen einen kreisrunden oder nichtkreisrunden Querschnitt aufweisen, der sich auch von dem nichtkreisrunden Querschnitt an der Biegestelle unterscheiden kann. Die Abschnitte zwischen den Biegestellen können auch unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Der Übergang zwischen den Biegestellen-Querschnitten und den Querschnitten der Zwischenbiegestellenabschnitte verläuft stetig, der Umfang des Rohrs bleibt konstant. Unter „nichtkreisrunde” Querschnittsformen fallen zum Beispiel ovale, elliptische sowie sämtliche symmetrische und unsymmetrische regelmäßige und unregelmäßige Formen.
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Die unidirektionale Ausrichtung der Verstärkungsfasern in jeder Lage wird durch ein UD-Geflecht erreicht, wobei die Faserorientierungen jeder Lage auf die am Stabbauteil auftretenden Belastungsrichtungen abgestimmt sind. Die Verstärkungsfasern können aus Glas, Carbon, Aramid oder einem Gemisch davon, bevorzugt jedoch aus Carbon aufgrund der mechanischen Festigkeitseigenschaften, bestehen. Als thermoplastischer Matrixkunststoff kann ein Polyamid gewählt werden, bevorzugt ein Polyphthalamid.
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Ferner können an dem Rohr an lokal hoch beanspruchten Bereichen des Stabbauteils Verstärkungselemente angeordnet sein, die bevorzugt durch UD-Patches oder Flechtstücke aus in dem thermoplastischen Matrixkunststoff eingebetteten Verstärkungsfasern gebildet werden. Ferner kann das Stabbauteil ein oder mehrere Lagerungselemente aufweisen, die an einer zur Lagerung des Stabbauteils vorgesehenen Stelle aus einem Elastomer um das gebogene FVK-Rohr angespritzt sind. Vorteilhaft kann dazu ein thermoplastisches Elastomer verwendet werden, das eine gute Verbindung mit dem thermoplastischen Matrixkunststoff eingeht. Die Aufbringung der Lagerungselemente durch Anspritzen erfolgt wirtschaftlicher und maßhaltiger.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei dem Stabbauteil um eine Drehstabfeder handeln, die insbesondere als Drehstabfeder für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist und an beiden Enden eine Anbindungsstruktur zur Anbindung an ein Drehstabgestänge des Kraftfahrzeugs aufweist. Diese Anbindungsstrukturen werden durch die mit einem Durchbruch versehenen abgeflachten Rohrendabschnitte gebildet.
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Die erfindungsgemäßen Stabbauteile aus FVK, vor allem aus CFK, können durch den im Hinblick auf die Biegestellen abgeänderten Querschnittsverlauf in einer Form wie Bauteile aus Stahl hergestellt werden und diese 1:1 ersetzen, so dass das Package im Fahrzeug unverändert bleiben kann.
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Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stabbauteils umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte:
- – Herstellen eines textilen Rohrhalbzeugs durch zumindest zweilagiges UD-Flechten mit Hybridrovings, die Verstärkungsfasern und matrixbildende Thermoplastfasern aufweisen, wobei sich die Faserorientierungen der zumindest zwei Lagen unterscheiden und auf am Stabbauteil auftretende Belastungsrichtungen abgestimmt werden,
- – Einlegen des textilen Rohrhalbzeugs in eine Werkzeugform mit einem Querschnittsformverlauf, der zumindest an den für das Stabbauteil vorgesehenen Biegestellen einen nichtkreisrunden Querschnitt aufweist,
- – Schließen der Werkzeugform und Innenhochdruckumformen des Rohrhalbzeugs mittels eines in das Rohrhalbzeug eingeleiteten heißen Mediums, dessen Temperatur zumindest einer Erweichungstemperatur der Thermoplastfasern entspricht, dabei Anlegen des Rohrhalbzeugs an die Werkzeugform, und
- – Fertigstellen des Stabbauteils durch Biegen des Rohrhalbzeugs an den Biegestellen und Konsolidieren durch Schmelzen der Thermoplastfasern, Imprägnieren der Verstärkungsfasern mit der Thermoplastschmelze und Abkühlen.
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Die so erfindungsgemäß aus FVK hergestellten gebogenen Stabbauteile, können betriebsfest ausgeführt werden. Durch die Aufteilung des Herstellungsprozesses in die Fertigung des Halbzeugs und der Endfertigung zum Fertigprodukt, kann das erfindungsgemäße gebogene Stabbauteil wirtschaftlicher hergestellt werden. So ist eine Massenproduktion mit großen und sehr großen Stückzahlen möglich, da die Taktzeiten, vor allem die Verweildauer im Konsolidierungswerkzeug sehr viel kürzer ist, als wenn die Herstellung direkt ohne Halbzeugerstellung erfolgt.
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In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens kann das querschnittsmodifizierte Rohrhalbzeug konsolidiert werden, ehe es zum Stabbauteil gebogen wird. Zum Biegen wird das Rohrhalbzeug zumindest an den Biegestellen bis zur Erweichungstemperatur des thermoplastischen Matrixkunststoffs erwärmt und mittels einer geeigneten Biegevorrichtung gebogen, so dass das Stabbauteil erhalten wird. Die Konsolidierung des Rohrhalbzeugs kann während oder nach dem Innenhochdruckumformen erfolgen.
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In einem alternativen Herstellungsverfahren wird ein Werkzeug mit einer Werkzeugform verwendet, die dem gebogenen Stabbauteil mit dem Querschnittsformverlauf entsprechend geformt ist, der zumindest an den für das Stabbauteil vorgesehenen Biegestellen einen nichtkreisrunden Querschnitt aufweist. Beim Einlegen folgt das Rohrhalbzeug dem gebogenen Verlauf des Stabbauteils, so dass das Rohrhalbzeug beim Innenhochdruckumformen gleichzeitig in die gebogene Form des Stabbauteils gebracht wird. Das Fertigstellen des Stabbauteils durch Konsolidieren erfolgt dann in der Werkzeugform während oder nach dem Innenhochdruckumformen.
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Ein weiterer Verfahrensschritt bezieht sich auf das Anspritzen von Lagerungselementen um einen zur Lagerung vorgesehenen Abschnitt des Rohrhalbzeugs oder des Stabbauteils mit einem Elastomer, das bevorzugt ein thermoplastischer Elastomer ist. Vorteilhaft kann das Anspritzen in der Werkzeugform vor oder nach dem Abkühlen zum Konsolidieren erfolgen. So lassen sich Herstellkosten und die Fertigungszeit optimieren, da sich der thermoplastische Elastomer, mit dem die Lagerelemente angespritzt werden, einfacher und sicherer mit dem thermoplastischen FVK des Stabbauteils verbinden lassen als die bisher üblichen Lagerelemente aus Elastomeren auf Natur- oder Kunstkautschukbasis. Werden die Lager gleich mit aufgespritzt, werden Aufwärme- und Abkühlzeiten eingespart, die sonst bei einem zusätzlichen Arbeitsschritt der Lageranbringung außerhalb dieses Werkzeugs anfallen würden.
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So ergibt sich besonders vorteilhaft die Herstellung des Stabbauteils und der Anbringung der Lagerelemente im gleichen Herstellwerkzeug, in dem das Stabbauteil mit Querschnitts- und Biegeverlauf urgeformt und konsolidiert wird und die Lagerelemente durch Anschmelzen des Matrixkunststoffs stoffschlüssig an das Stabbauteil durch Anspritzen angebracht werden.
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Die Positionierung der Lager zum Drehstab ist durch das Werkzeug vorgegeben und dadurch viel genauer als bei nachträglicher Anbringung der Lagerelemente. Die aus TPE angespritzten Lagerelemente bieten so aufgrund der größeren Lagegenauigkeit an dem Stabbauteil zudem eine Qualitätssteigerung.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen FVK-Drehstabfeder,
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2 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Drehstabs aus Stahl,
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3 eine Querschnittansicht der erfindungsgemäßen FVK-Drehstabfeder auf Höhe eines Stützlagers,
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4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß als FVK-Stabbauteil ausgeführten Schraubenfeder,
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5 eine Querschnittansicht durch ein mehrlagiges FVK-Rohr, aus dem ein erfindungsgemäßes FVK-Stabbauteil fertigbar ist,
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6 eine Schnittansicht durch den Mehrlagenaufbau eines FVK-Rohrs zur Verwendung bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen FVK-Stabbauteils,
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7 eine Querschnittansicht durch ein Hybridroving,
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8 eine Querschnittansicht durch ein mittels Innendruck umgeformtes FVK-Rohr,
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9 eine Seitenschnittansicht des Anbindungspunks Drehstabgestänge an eine erfindungsgemäße Drehstabfeder.
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Die Erfindung bezieht sich auf kraftaufnehmende gebogene Stabbauteile aus Faserverbundkunststoff-Rohren. Insbesondere kann ein solches Leichtbauteil eine Drehstabfeder für ein Kraftfahrzeug sein. Neben den als Stabilisatoren im Kraftfahrzeugbau eingesetzten Drehstäben kann jedes Bauteil, das aus räumlich gekrümmten FVK-Rohren gebildet wird, durch ein erfindungsgemäßes FVK-Stabbauteil mit thermoplastischer Matrix realisiert werden. So wird die in einem Kraftfahrzeug benötigte Wankabstützung bzw. Wankstabilisierung durch eine erfindungsgemäß ausgeführte gewichtsreduzierte Drehstabfeder ermöglicht, die in einer Form entsprechend dem bislang verwendeten Stahlbauteil hergestellt werden und diesen 1:1 ersetzen kann. Das Package im Fahrzeug muss dazu nicht verändert werden.
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Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Herstellungsverfahren, mit dem ein solches FVK-Stabbauteil hergestellt und betriebsfest ausgeführt werden kann. Die Aufbringung von Lagerelementen an das Stabbauteil wie die Stützlager an einem Drehstab kann dabei wirtschaftlicher und maßhaltiger erfolgen.
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Die durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichte wirtschaftliche Herstellung der gebogenen Stabbauteile aus FVK-Rohren ist dabei in zwei Schritte gegliedert, den der Herstellung eines Rohrhalbzeugs, bei dem es sich um ein mehrlagiges Geflecht aus Hybridrovings handelt, und den der Verarbeitung des Rohrhalbzeugs zum Fertigprodukt. So können die gebogenen FVK-Stabbauteile wirtschaftlich in Massenproduktion mit großen und sehr großen Stückzahlen hergestellt werden, wie es für den Kraftfahrzeugbau erforderlich ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Stabbauteil kann es sich um eine Drehstabfeder handelt, die im Kraftfahrzeugbau als Stabilisator eingesetzt wird.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße FVK-Drehstabfeder 1, die aus einem zwei- oder mehrlagigen FVK-Rohr 10 gebogen ist. Das verwendete Rohr 10 kann, wie in 5 und 6 gezeigt ist, mehr als zwei Lagen 5 aufweisen. 5 zeigt einen Rohrquerschnitt mit sechs Lagen 5, wobei sich die Faserorientierungen benachbarter Lagen 5 unterscheiden. 6 verdeutlicht mit einem vergrößert dargestellten schematischen Schichtaufbau, dass die Verstärkungsfasern 61 in jeder Lage 5 unidirektional orientiert sind, wobei sich die Faserorientierungen der benachbarten Lagen 5 unterscheiden. Dieser Schichtaufbau zeigt 13 Lagen 5, die durch die Faserorientierungen der einzelnen Lagen 5, die in 6 indiziert sind, charakterisiert werden. Der Schichtaufbau ist für eine kombinierte Torsions- und Biegebeanspruchung des Rohres 10 geeignet. Die Verstärkungsfasern 61 jeder Lage 5 sind durch UD-Flechten in ihrer Faserorientierung auf die am zu fertigenden Stabbauteil 1 auftretenden Belastungsrichtungen abgestimmt. Selbstverständlich sind je nach Bauteil und Beanspruchungsprofil auch andere Schichtaufbauten denkbar, die in Anzahl der Lagen 5 und/oder Faserorientierungen von dem dargestellten Beispiel abweichen.
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Kostengünstig weist das erfindungsgemäße Stabbauteil, wie die Drehstabfeder 1 in 1 oder auch die Schraubenfeder 1 in 4, als Matrixmaterial einen thermoplastischen Kunststoff auf. Das die Drehstabfeder 1 bildende FVK-Rohr 10 aus 1 weist an den Biegestellen 2, stellenweise aber auch an den zwischen den Biegestellen 2 befindlichen geraden Abschnitten einen nichtkreisrunden Querschnitt auf. Der Umfang des Rohrs 10 ist über die Länge des Stabbauteils 1 konstant, wobei der Querschnittsverlauf zwischen den Biegestellen und dazwischen liegenden Abschnitten stetig ineinander übergeht. Die nichtkreisrunden Querschnittsformen können ovale, elliptische und symmetrische und unsymmetrische regelmäßige und unregelmäßige Formen umfassen. Gegebenenfalls sind sogar leicht konkav gekrümmte Querschnitte denkbar.
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In einem Stabbauteil wie der in 1 gezeigten Drehstabfeder 1 können Abschnitte mit kreisrundem oder elliptischem Querschnitt in Abschnitte mit nichtkreisförmigem Querschnitt übergehen. So zeigt der Drehstab einen variablen zylindrischen Querschnitt, der in einen unstetigen nichtzylindrischen Querschnitt übergeht. Der Rohrquerschnittsumfang bleibt dabei immer gleich groß.
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Die verschiedenen Querschnittsformen können entlang dem Stabbauteil beliebig oft wechseln. Nur durch diese Gestaltung mit den wechselnden Querschnittsformen an entsprechenden Bauteilabschnitten kann ein Drehstab oder ein anderes gebogenes Stabbauteil aus vorgefertigten Halbzeugen, wie z. B. konsolidierte Rohrhalbzeuge aus faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen oder biegsamen Schläuchen aus Hybridrovings hergestellt und betriebsfest ausgeführt werden. Die an den Biegestellen abgewandelten nichtkreisrunden Querschnittsformen gestatten ein Strecken am Außenradius und eine Stauchung am Innenradius, dass mit einem kreisrunden Rohr aus Faserverbundwerkstoff nicht ausführbar ist.
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Bei der Schraubenfeder 1 in 4, die sowohl eine Druck- als auch Zugfeder sein kann, gibt es entlang der Stablänge keine ungekrümmte Stelle, folglich zeigt die Schraubenfeder 1 keinen Abschnitt mit kreisrundem Rohrquerschnitt.
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2 zeigt eine Drehstabfeder 1' aus Stahl aus dem Stand der Technik zum Vergleich mit der erfindungsgemäßen FVK-Drehstabfeder 1 aus 1. Während der Stabquerschnitt des Stahldrehstabs 1' in 2 auch in den Biegungen rund ist, weichen die Querschnitte des zur Bildung des Stabs 1 in 1 eingesetzten Rohres 10 an den Biegestellen 2 zum Teil deutlich von der Kreisform ab. Weiter sind in 2 Lagerelemente 4 zur Stützlagerung des als Stabilisator eingesetzten Drehstabs 1' sowie die Anschlussstrukturen 3, 3' an ein Drehstabgestänge des Fahrzeugs zu sehen, wie sie in äquivalenter Weise für eine erfindungsgemäße FVK-Drehstabfeder 1 vorgesehen sind.
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9 zeigt die Anbindung einer erfindungsgemäßen Drehstabfeder über ein Ende 3 an ein Drehstabgestänge eines Fahrzeugs, über das die Drehstabfeder mit der Fahrzeugachse gekoppelt ist. Am Ende 3 der Drehstabfeder 1 ist das Rohr 10 abgeflacht und mit einem Durchbruch 3' (siehe 1) versehen. In dem Durchbruch ist eine UD-Buchse 8 angeordnet, durch die ein Verbindungsbolzen 11 geführt wird, der mit einer Mutter 12 angezogen wird. Der Verbindungsbolzen 11 verschraubt eine Passbuchse 13, die von einem Lager 14 umgeben ist, das mit der Pendelstütze 15 des Drehstabgestänges verbunden ist, an dem Drehstabfederende 3. Passbuchse 13 und Mutter 12 sind durch UD-Scheiben 9 von dem FVK-Material des Drehstabfederendes 3 beabstandet. Gegebenenfalls kann/können auch nur die UD-Buchse oder die UD-Scheiben eingesetzt werden.
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Der Einsatz der UD-Scheiben und/oder UD-Buchse dient zum einen dazu, das Auftreten von Korrosion zu verhindern, wenn als Verstärkungsfasern im Stabbauteil Carbonfasern eingesetzt werden. Metall (Verbindungsbolzen und Mutter) und Carbonfasern, die in direktem Kontakt stehen, bilden bei Vorhandensein eines Elektrolyten ein elektrochemisches Lokalelement, das die Korrosion der Metallteile deutlich beschleunigt. Durch Einbringen der UD-Unterlegscheiben und UD-Buchsen, deren Verstärkungsfasern z. B. aus Glas sind, werden die Metallteile und die Carbonfasern elektrisch isoliert und Korrosion verhindert.
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Eine zweite Aufgabe der UD-Unterlegscheiben ist die Einleitung der Schraubenvorspann- und der Betriebskräfte in den Drehstab, damit die Betriebsfestigkeit des Bauteils erreicht werden kann.
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So können durch die UD-Buchse 8 und die UD-Scheiben 9 als Verschraubelemente für die Drehstabgestänge an die Drehstabfeder auch handelsübliche Schrauben 11 oder Muttern 12 eingesetzt werden, ohne dass Korrosionsprobleme (im Falle der Verwendung von Carbonfasern als Verstärkungsfasern) oder Setzerscheinungen auftreten können. Die UD-Buchse und die UD-Scheiben bestehen aus faserverstärktem Kunststoff, in dem die verstärkenden Fasern ausschließlich in der Lasteinleitungsrichtung ausgerichtet sind. Die UD-Buchse und die UD-Scheibe werden gegen Setzerscheinungen im verschraubten Zustand gesichert, da das frühzeitige Ausknicken der vielen kleinen in der Matrix eingebetteten Fasern, durch deren Einbindung in die Matrix verhindert wird.
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In 3 ist ein um einen entsprechenden Abschnitt des die Drehstabfeder 1 bildenden FVK-Rohres 10 angespritztes Stützlager 4 dargestellt. Mit diesen Stützlagern 4 erfolgt die Lagerung der Drehstabfeder 1 am Fahrzeugchassis. Als Material für das Stützlager 4 wird erfindungsgemäß ein thermoplastischer Elastomer (TPE) vorgeschlagen. Mit diesem Material ist nicht nur die Verbindung zu dem faserverstärkten Thermoplastwerkstoff der Drehstabfeder 1 einfacher und sicherer als bei den bisher üblichen Lagerelementen aus Elastomeren auf Natur- oder Kunstkautschukbasis, sondern es können auch die Herstellungskosten und -zeiten optimiert werden, indem die Lagerelemente während des Fertigungsprozesses mit aufgespritzt werden, wodurch Aufwärme- und Abkühlzeiten eingespart werden, die sonst bei einem zusätzlichen Arbeitsschritt der Lageranbringung außerhalb dieses Werkzeugs anfallen.
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An andere Stabbauteile als ein Drehstab, die ebenfalls Fahrzeugbauteile sein können, können in entsprechender Weise Lagerungselemente an Schnittstellen zum Fahrzeug aus TPE angespritzt werden.
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Mit den erfindungsgemäßen Stabbauteilen können Drehstäbe und andere gebogene Stabbauteile, die bislang vorwiegend aus Stahl gefertigt wurden, wirtschaftlich und betriebssicher aus thermoplastischem FVK hergestellt werden, und so der Leichtbauweise Rechnung tragen, die zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und damit der CO2-Emission beiträgt. Bei den Kraftfahrzeugen kann es sich um jegliche Fahrzeuge auf Straße und Schiene handeln, so sind Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, aber auch deren Anhänger sowie Sonderfahrzeuge, wie z. B. Traktoren, Baumaschinen, Panzer mit Ketten- oder Radfahrwerken umfasst.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Stabbauteile wird zunächst ein textiles Rohrhalbzeug gefertigt, das biegeschlaff und damit schlauchartig sein kann oder eine feste Form aufzeigt. Der Querschnitt des Rohrhalbzeugs ist bei der Fertigung kreisrund.
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Das Rohrhalbzeug wird mittels UD-Flechten mit zwei oder mehr Lagen erzeugt, dazu sind entsprechend zwei oder entsprechend mehr Flechträder erforderlich, mit denen die einzelnen Lagen sukzessive auf einen Flechtdorn geflochten werden. Jedes der Flechträder kann unabhängig voneinander unterschiedliche Flechtwinkel bzw. Faserorientierungen erzeugen.
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Beim UD-Flechten (UD = Unidirektional) verlaufen die Verstärkungsfasern ausschließlich in Lastrichtung, in der zum Flechten erforderlichen Querrichtung werden schmelzbare Stützfäden eingesetzt, die vorzugsweise aus dem thermoplastischen Matrixkunststoff bestehen können. Die Richtung der Verstärkungsfasern in jeder Lage wird dabei speziell auf die verschiedenen Belastungsrichtungen abgestimmt. Aufgrund der überlagerten Belastung von Torsion und Biegung ergibt sich dabei ein Aufbau verschiedener Faserrichtungen über die Rohrdicke, wie in Zusammenhang mit 5 und 6 bereits erläutert.
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Gegebenenfalls ist auch denkbar, anstelle eines Rohrhalbzeugs aus UD-geflochtenen Lagen gewobene Lagen zu verwenden, in denen nur Kettfäden oder Schussfäden aus Verstärkungsfasern bzw. Roving und der jeweils andere, wie beim UD-Flechten, als schmelzbarer Stützfaden oder vorzugsweise als Faden aus dem thermoplastischen Matrixkunststoff ausgeführt ist. Diese UD-Gewebe können dann schichtweise zum Rohrhalbzeug gewickelt werden.
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Zum Flechten werden die Verstärkungsfasern in Form von Hybridrovings 6 zugeführt (siehe 7), die neben den Verstärkungsfasern 61 auch matrixbildende Thermoplastfasern 62 aufweisen. Die Verstärkungsfasern 61 können aus Glas, Carbon, Aramid, Keramik oder auch Metall beschaffen sein, in einem Roving 6 können auch verschiedenartige Verstärkungsfasern vermischt vorliegen. Bevorzugt können Carbonfaser aufgrund der mechanischen Festigkeitseigenschaften eingesetzt werden. Die thermoplastischen Fasern 62 bestehen vorzugsweise aus einem Polyamid, besonders bevorzugt aus einem Polyphthalamid. Polyphthalamide weisen neben einer hohen Wärmeformbeständigkeit eine gute Dimensionsstabilität mit nur geringem Verzug sowie eine hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit auf, wodurch sie sich besonders zum Einsatz im Fahrzeug, auch im Motorraum eignen.
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Mit den Thermoplastfasern im Hybridroving ist das Matrixmaterial bereits im Rohrhalbzeug enthalten. Dies ermöglicht im späteren Fertigungsprozess zu dem Stabbauteil eine schnellere und bessere Konsolidierung aufgrund kurzer Fließwege.
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Das erzeugte Flechtrohr bzw. Rohrhalbzeug kann, je nach Flechtart, verwendeten Materialien und Anzahl der Lagen biegsam wie ein Schlauch sein, es kann aber auch eine starre Form aufweisen.
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Ferner kann je nach Beanspruchungsprofil des aus dem Rohrhalbzeug zu fertigenden Bauteils dessen Festigkeit mit lokal angeordneten UD-Patches oder zusätzlichen Flechtstellen an lokal hoch beanspruchten Bereichen erhöht werden, um so den Zielkonflikt zwischen globaler Steifigkeit entsprechend einem herkömmlichen Stahldrehstab, um einen 1:1 Austausch zu ermöglichen, und der Betriebsfestigkeitsbeanspruchung zu lösen. So kann durch lokales Nachtapen oder einen zusätzlich lokal aufgebrachtes Geflecht lokal die Wandstärke des Rohrhalbzeugs bzw. des daraus gefertigten Stabbauteils verändert bzw. vergrößert werden. Ein solches Rohrhalbzeug weist dann eine über seine Länge variierende Wandstärke auf. Wird ein Rohrhalbzeug ohne derartige lokale Verstärkungselemente zur Herstellung des Stabbauteils eingesetzt, ist dessen Wandstärke über die Länge konstant.
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Das zur Herstellung eines Stabbauteils, beispielsweise eines Drehstabs, eingesetzte Rohrhalbzeug kann Zylinderform mit kreisrundem Querschnitt aufweisen, je nach verwendetem Flechtdorn.
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Das aus dem Rohrhalbzeug hergestellte Stabbauteil kann einheitlich eine von der Kreisform abweichende Querschnittsform wie einen elliptischen oder ovalen Querschnitt aufweisen. Denkbar sind auch weitere symmetrische oder unsymmetrische regelmäßige oder unregelmäßige Querschnittformen, die auch Wölbungen nach Innen aufweisen können. Die verschiedenen Querschnittsformen können aber auch über die Länge des Stabbauteils beliebig oft wechseln. Der Umfang eines Rohres bleibt allerdings über die Länge des Stabbauteils unabhängig von dem Querschnittsverlauf immer konstant, wenn ein Rohrhalbzeug mit konstanter Wanddicke eingesetzt wird.
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Um ein erfindungsgemäßes thermoplastisches FVK-Stabbauteil mit dem zumindest an Biegestellen von dem kreisrunden Querschnitt abweichenden Querschnittsform aus einem zylindrischen Rohrhalbzeug zu schaffen, wird das Rohrhalbzeug durch einen IHU-Prozess(Innenhochdruckumformen) mittels eines in das Rohrhalbzeug eingeleiteten heißen Mediums umgeformt.
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Dazu wird das Rohrhalbzeug in eine Werkzeugform eingelegt, die einen Querschnittsformverlauf aufweist, der zumindest an den für das Stabbauteil vorgesehenen Biegestellen einen nichtkreisrunden Querschnitt aufweist.
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Nach dem Schließen der Werkzeugform wird das Rohrhalbzeug durch den Hydraulikdruck p (siehe 8) des in das Rohrhalbzeug 10 eingeleiteten heißen Mediums umgeformt, wobei sich das Rohrhalbzeug an den Querschnittsformverlauf der Werkzeugform anlegt. Zum Innenhochdruckumformen kann in dem Rohrhalbzeug 10 beispielsweise ein verformbarer Silikonschlauch 7 eingesetzt werden, durch den das Medium in das Rohrhalbzeug gepumpt wird. Auf einen derartigen Schlauch kann aber gegebenenfalls auch verzichtet werden, und das heiße Medium direkt in das Rohrhalbzeug geleitet werden. Die Temperatur des heißen Mediums entspricht zumindest der Erweichungstemperatur der Thermoplastfasern des Rohrhalbzeugs, so dass nach Erkalten das innenhochdruckumgeformte Rohrhalbzeug den Querschnittsformverlauf beibehält. Vorteilhaft kann die Konsolidierung des FVK-Materials durch Schmelzen des Matrixkunststoffs, Imprägnieren der Verstärkungsfasern gleichzeitig mit dem IHU-Prozess mit anschließender Abkühlung erfolgen. Das Konsolidieren kann aber auch nach dem IHU-Prozess vorgenommen werden.
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Nach dem IHU-Prozess wird das nun querschnittgeformte und konsolidierte Rohrhalbzeug wenigstens an den Biegestellen bis zur Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt und durch geeignete Biegevorrichtungen in die gewünschte Form gebracht und so das Stabbauteil fertig gestellt.
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Handelt es sich bei dem Rohrhalbzeug um einen biegsamen Schlauch aus den Hybridrovings, so kann dieser in eine Werkzeugform eingelegt werden, das die fertige Form des Stabbauteils, beispielsweise des Drehstabs mit Biegungen und Querschnittsverlauf aufweist. Nach dem Schließen des Werkzeugs wird durch den IHU-Prozess mittels des in den Schlauch eingeleiteten heißen Mediums dieser an die Wände der Werkzeugform angelegt. Durch eine weitere Temperaturzufuhr von außen durch das Werkzeug werden die Thermoplastfasern aufgeschmolzen, die Verstärkungsfasern mit der Thermoplastschmelze imprägniert und durch Abkühlen konsolidiert, so dass das fertige Stabbauteil entnommen werden kann.
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Nach dem IHU-Prozess sind die Verstärkungsfasern jeder Lage durch das UD-Flechten ausschließlich in der an dieser Stelle des Bauteils auftretender Lastrichtung ausgerichtet. Durch die in Lastrichtung gestreckt vorliegenden Verstärkungsfasern, können diese nicht an den Ondulationsschlaufen nachgeben, wodurch andernfalls Wellenwurf auftreten könnte.
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Die Lagerelemente des Stabbauteils, wie etwa die Stützlager eines Drehstabs, können gleichzeitig mit dem IHU-Prozess und der Konsolidierung in einem hochintegrativen Prozess angespritzt und so zusammen mit dem Stabbauteil in einem Arbeitsgang und in einem Werkzeug hergestellt werden. Nach dem Abkühlvorgang kann dann das fertige Bauteil einschließlich der fest angebrachten Lagerelemente entnommen werden. Durch die Integration der ursprünglich sequentiell zu durchlaufenden Arbeitsschritte wird ein Kosten- und Zeitvorteil realisiert, der zur Wirtschaftlichkeit der vorgestellten Lösung entscheidend beiträgt.
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Die TPE-Lagerelemente können auch erst nach Fertigstellung des Stabbauteils nachträglich angebracht werden, etwa wenn, wie zuvor beschrieben, das Stabbauteil erst nach dem IHU-Prozess durch Erwärmen und Biegen mittels Biegevorrichtungen fertig gestellt wird.
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Je nach Verfahrensvariante ist das verwendete Werkzeug entsprechend ausgeprägt.
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Ein Werkzeug, das die Integration aller dieser Operationen und damit in einem hocheffizienten Arbeitsschritt ermöglicht, weist daher eine entsprechend dem Stabbauteil mit Biegungen und Querschnittsverlauf geformte Kavität auf, und sieht zumindest einen Anschluss für das zur IHU vorgesehene Hydraulikmedium vor. Werden im gleichen Werkzeug die Lagerelemente angespritzt, so umfasst das Werkzeug eine entsprechende Injektionsvorrichtung. Weiter kann das Werkzeug Temperierungseinrichtungen zur Konsolidierung des thermoplastischen FVK-Materials aufweisen. Schließlich kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu den durch Hybridrovings bereitgestellten Thermoplastfasern weiteres thermoplastisches Matrixmaterial in die Werkzeugform eingespritzt wird, um eine vollständige Durchdringung der Fasern zu sichern.
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Durch die Verringerung des Fahrzeuggewichts, die durch Einsatz der erfindungsgemäßen FVK-Stabbauteile erreicht wird, können der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs und damit der CO2-Ausstoß gesenkt werden. Daraus resultieren niedrigere Betriebskosten und eine Schonung der Umwelt gegenüber Fahrzeugen, bei denen die entsprechenden Bauteile aus Stahl bestehen.
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Die Bauteilkosten können durch Verwendung eines Faserverbundkunststoffes, der aus einer Kombination von einer preiswerten Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff (z. B.: PPA) und dem, aus Gründen der Betriebsfestigkeit benötigtem, kleinst möglichen Anteil der teuren Carbonfasern besteht, optimiert werden. So werden Herstellkosten und Bauteilgewicht gesenkt, indem immer nur soviel Material eingesetzt wird, wie zum Erreichen der Betriebsfestigkeit erforderlich ist.
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Auch werden die Fertigungskosten durch Verwendung des thermoplastischen FVK optimiert, da im Gegensatz zu duroplastischen Matrixsystemen keine lange Verweildauer im Werkzeug zur Aushärtung erforderlich ist. Der thermoplastische FVK härtet beim Abkühlen aus.
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Weiter werden im Herstellprozess im Vergleich zur Fertigung von entsprechenden Stahlbauteilen Energie und Kosten eingespart, da einige Fertigungsschritte wie z. B.: Vergüte-, Strahl- und Lackierprozess oder das separate Aufbringen von Lagerungselementen wie das Stützlager am Drehstab nicht nötig sind, so dass ferner eine Verkürzung der Fertigungszeit bis zum endfertigen Produkt erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19933432 B4 [0006]
- DE 4215919 A1 [0008]
- DE 4021165 A1 [0009]
