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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Faserverbund-Torsionsfeder, eine entsprechende Faserverbund-Torsionsfeder, deren Verwendung als Fahrwerksfeder in einem Kraftfahrzeug sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug.
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In Kraftfahrzeugen werden Torsionsfedern bisher, beispielsweise in Form so genannter Drehstäbe, zur Verringerung von Wankbewegungen eingesetzt, zunehmend jedoch auch zur Federung der Fahrzeuge. Aus Gründen der Gewichtsersparnis und der besseren Korrosionsbeständigkeit werden zunehmend Torsionsfedern eingesetzt, die nicht mehr aus Metall bestehen, sondern Kunststoffe umfassen oder daraus bestehen. Dabei kommen insbesondere Faserverbund-Torsionsfedern zum Einsatz, bei denen Faserschichten in einer Kunststoffmatrix verbunden sind. Das allgemeine Prinzip der Herstellung und des Aufbaus von Wellen mit Faserverbund-Materialien, die auch als Drehstäbe geeignet sind, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
EP 0 145 810 A1 beschrieben.
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Problematisch gestaltet sich jedoch der Umstand, dass mit zunehmender Betriebsdauer solcher Faserverbund-Torsionsfedern und damit einhergehender Langzeit-Belastung der Kunststoff-Matrix das Matrixmaterial zwischen den Fasern herausgedrängt wird und somit ein Setzungsprozess stattfindet, der mit einem Verlust an Einfederweg einhergeht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Torsionsfedern und entsprechende Faserverbund-Torsionsfedern bereitzustellen, mit denen das Problem der Langzeit-Setzung verringert wird.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Aufgabe ist in einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Faserverbund-Torsionsfeder aus mehreren harz-durchtränkten Faserlagen, die schraubenförmig mehrlagig auf eine Seele gewickelt werden, wobei alternierende Faserlagen gegensinnig gewickelt werden zur Bildung eines Rohlings, bei dem anschließend das Harz ausgehärtet wird, wobei der Rohling vor dem Aushärtungsvorgang in einer zukünftigen Betriebstorsionsrichtung verwrungen wird.
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Die Betriebstorsionsrichtung ergibt sich aus der Torsionsrichtung, die sich beim vorgesehen Betrieb der Faserverbund-Torsionsrichtung einstellt. Beispielsweise ergibt sich die Betriebstorsionsrichtung beim Einbau einer Faserverbund-Torsionsfeder als Fahrwerksfeder in ein Fahrzeug aus der Torsion, die sich zwischen einer unbelasteten Position und einer Konstruktionslage einstellt. In der unbelasteten Position sind die mit der Faserverbund-Torsionsfeder verbundenen Räder unbelastet, beispielsweise weil die entsprechenden Achsen aufgebockt sind und deren Räder frei hängen, ohne ein Fahrzeuggewicht zu tragen. In der als Konstruktionslage bezeichneten Position sind die Räder dagegen mit dem Fahrzeuggewicht belastet. Würde eine Faserverbund-Torsionsfeder dagegen für den Ausgleich von Wankbewegungen eines Fahrzeugs im Sinne eines herkömmlichen Drehstabs eingesetzt, so läge keine bevorzugte Betriebstorsionsrichtung vor, da der Ausgleich von Wankbewegungen zwangsläufig Torsionen in beide Richtungen erfordert. Die Langzeit-Setzung als Folge der Torsion in Betriebstorsionsrichtung, die sich aus dem Unterschied zwischen unbelasteter Position und Konstruktionslage ergibt, wird vorteilhaft verringert, da durch das bei der Herstellung der Faserverbund-Torsionsfeder vorgenommene Verwringen in die zukünftige Betriebstorsionsrichtung die Faserlagen in dem noch nicht ausgehärteten Harz sich wenigstens teilweise so gegeneinander positionieren können wie es unter Dauerbelastung als Langzeit-Setzung erfolgen würde. Anders ausgedrückt wird wenigstens ein Teil an überschüssigem Harz vor dem Aushärtvorgang aus den Faserlagen und/oder den Zwischenräumen zwischen Faserlagen ausgepresst, was zur Folge hat, dass die Setzung bereits im Rahmen der Herstellung vorweggenommen wird, und damit die Langzeit-Setzung, die mit einer erfindungsgemäßen Faserverbund-Torsionsfeder noch auftreten kann, verringert wird. Folglich tritt bei der vorgesehenen Verwendung einer erfindungsgemäßen Faserverbund-Torsionsfeder eine geringere Setzung auf als bei einer Faserverbund-Torsionsfeder, die während der Herstellung nicht verwrungen wurde, ansonsten jedoch baugleich ist.
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Als Seele für das Wickeln eignen sich alle Materialien, auf die ein Auflegen einer ersten Faserlage möglich ist und die gleichzeitig torsionsweich ausgebildet sind, um das Verwringen in Betriebstorsionsrichtung zu erlauben. Gemäß einer Ausbildungsform umfasst eine Seele einen Faserstrang oder besteht daraus, gemäß einer Weiterbildung handelt es sich bei dem Material des Faserstrangs um das gleiche Material, aus dem die Faserlagen bestehen. Vorteilhaft können dadurch geringe Windungsdurchmesser der ersten Faserlagen realisiert werden. Die Seele ist gemäß einer Weiterbildung harz-durchtränkt, gemäß einer anderen Weiterbildung harzfrei, wobei nach Aufwickeln der Faserlagen jedoch Harz an die Seele gelangt und/oder in diese eindringt. Die Faserlagen umgeben die Seele schraubenförmig, also helikal, wobei der Steigungswinkel der Fasern, bezogen auf die Längsachse der Schraube, vorzugsweise zwischen 30 und 60° liegt, beispielsweise bei etwa 45° oder exakt 45°. Die gegensinnig gewickelten Faserlagen können unterschiedliche oder gleiche Beträge von Steigungswinkeln mit jeweils unterschiedlichem Vorzeichen aufweisen. Durch die Verwendung einer torsionsweichen Seele ermöglicht das Verfahren vorteilhaft eine kontinuierliche Herstellung von Rohlingen als Grundlage für Faserverbund-Torsionsfedern, die gegebenenfalls auf gewünschte Längen zugeschnitten werden oder alternativ als Endlosstrang verwrungen werden können.
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Als Harz sind alle Harze, insbesondere Kunstharze geeignet, welche den beim Betrieb einer Torsionsfeder auftretenden Belastungen gewachsen sind, die vom Fachmann in Kenntnis des Erfindungsgedankens leicht bestimmbar sind. Beispiele für Harze sind solche umfassend oder bestehend aus Epoxidharz, Polyesterharz oder Polyurethanharz. Der Aushärtvorgang erfolgt in Abhängigkeit von den verwendeten Harzen beispielsweise unter Wärmebehandlung oder Bestrahlung mit ultraviolettem Licht.
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In einer Ausführungsform wird der Rohling um 5–50%, gemäß einer Weiterbildung um 10–20% seines zukünftigen Betriebstorsionswinkels verwrungen. Vorteilhaft wird durch diese Vorverwringungen die Problematik der Langzeit-Setzung verringert, wobei gleichzeitig genügend Harz als die Faserlagen einbettende Matrix in der Faserverbund-Torsionsfeder verbleibt, um eine hohe strukturelle Belastbarkeit der Faserverbund-Torsionsfeder zu gewährleisten.
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In einer Ausführungsform wird der Rohling nach dem Verwringungsvorgang und vor dem Aushärtungsvorgang in seine endgültige Form gebracht. Gemäß Weiterbildungen handelt es sich bei den endgültigen Formen um gerade Stäbe, gebogene Stäbe, Spiralfedern oder Schraubenfedern. Das Drehmoment, das zum Verwringen in die zukünftige Betriebstorsionsrichtung aufgebracht wurde, kann dabei wieder entfallen, wobei aufgrund der Konsistenz des noch nicht ausgehärteten Harzes sich nicht unmittelbar ein Entwringen anschließt. Vorzugsweise dementsprechend ein Harz verwendet, das im noch nicht ausgehärteten Zustand eine zwar plastische, jedoch hochviskose Masse darstellt. Vorteilhaft kann somit der Rohling ohne Verlust der durch das Verwringen verliehenen günstigen Eigenschaften in eine praktisch beliebige endgültige Form gebracht werden, so dass die daraus erhaltene Faserverbund-Torsionsfeder auf die für die beabsichtigte Verwendung erforderliche Geometrie, beispielsweise auf die Achsanordnung verschiedener Fahrzeugbaureihen angepasst werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung liegt die Faserverbund-Torsionsfeder in der endgültigen Form als Schraubenfeder vor. Dementsprechend wird der Rohling nach dem Verwringungsvorgang und vor dem Aushärtungsvorgang zur Ausbildung einer Schraubenfeder auf einen schraubenförmigen Aufwickelkern gebracht, wobei der Kern selbst schraubenförmig gestaltet ist oder alternativ schraubenförmige Vertiefungen auf seiner Oberfläche umfasst, die den Rohling aufnehmen. Als Material für den Aufwickelkern sind fachbekannte Materialien verwendbar, die ein anschließendes Trennen des ausgehärteten Rohlings und des Aufwickelkerns ermöglichen, beispielsweise bei niedriger Temperatur schmelzende Metalle, Metalllegierungen oder Wachse, oder von der Faserverbund-Torsionsfeder trennbare Kunststoffe. In einer anderen Weiterbildung wird die Faserverbund-Torsionsfeder als gerader Stab in eine formstabilisierende Aushärtungsform gegeben.
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Alternativ kann der Rohling – insbesondere bei der oben beschriebenen Ausführung der Torsionsfeder in Form einer Schraubenfeder – bereits vor der Verwringung seine endgültige Form (hier: in die Form einer Schraubenfeder) gebracht werden. Anschließend erfolgt die Verwringung der Faserlagen des Rohlings, beispielsweise durch eine plastische axiale Kompression des gesamten Faserlagen-Pakets. Die axiale Kompression einer Schraubenfeder – die Standardbelastung jeder Schraubenfeder – ergibt im Betriebsfall eine Torsionsbelastung der Federwindungen, bei unausgehärtetem Faserstrang hingegen eine erfindungsgemäß erwünschte Vorverwringung der Faserstrang-Windungen in Betriebstorsionsrichtung.
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In einem weiteren Aspekt ist die Aufgabe dementsprechend gelöst durch eine Faserverbund-Torsionsfeder, die gebildet wurde durch ein erfindungsgemäßes Verfahren wie vorstehend beschrieben.
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In einem weiteren Aspekt ist die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer derartigen Faserverbund-Torsionsfeder als Fahrwerksfeder in einem Fahrzeug.
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In einem weiteren Aspekt ist die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, dass eine derartige Faserverbund-Torsionsfeder umfasst.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 schematische Ablaufdiagramme eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine schematische Darstellung einer über das Verfahren hergestellten Faserverbund-Torsionsfeder,
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3 beispielhafte endgültige Formen für Faserverbund-Torsionsfedern.
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1A zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines einfachen erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Verfahrensschritt 100 werden harzdurchtränkte Faserlagen unter Bildung eines Rohlings schraubenförmig mehrlagig und jeweils abwechselnd gegensinnig auf eine Seele 3 gewickelt. In einem Verfahrensschritt 150 wird der gebildete Rohling in einer zukünftigen Betriebstorsionsrichtung verwrungen. Beispielsweise erfolgt ein Verwringen um 5–50% des zukünftigen Betriebstorsionswinkels, vorzugsweise um 10–20% des zukünftigen Betriebstorsionswinkel. Anschließend wird der Rohling in einem Verfahrensschritt 200 einem Aushärtungsvorgang des darin enthaltenen Harzes unterzogen.
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1B zeigt auf der rechten Seite der 1 ein detaillierteres schematisches Ablaufdiagramm gemäß einer Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Als Unterschritte des Verfahrensschritts 100 werden in einem Verfahrensschritt 100a eine Seele 3 und in einem Verfahrensschritt 100b harzdurchtränkte Faserlagen 5 bereitgestellt. In einem Verfahrensschritt 100c wird eine erste Faserlage 5 a schraubenförmig, also mit einem bestimmten Steigungswinkel auf die Seele 3 gewickelt. Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt 100d ein gegensinniges Aufwickeln einer weiteren Faserlage 5 b auf die bereits vorhandene Faserlage 5 a, beispielsweise mit dem gleichen Steigungswinkel, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen. Danach wird in einem Verfahrensschritt 100e eine noch weitere Faserlage 5 auf die zuvor auf gewickelte Faserlage 5 wiederum gegensinnig aufgewickelt. Die Verfahrensschritte 100d und 100e werden solange wiederholt, bis eine gewünschte Dicke des Rohlings erreicht ist, wobei je nach beabsichtigter Verwendung der Faserverbund-Torsionsfeder 1 zwei bis Hunderte, Tausende oder noch mehr Faserlagen 5 vorgesehen sein können. Danach wird der Rohling in einem Verfahrensschritt 150 in der zukünftigen Betriebstorsionsrichtung verwrungen, beispielsweise um einen Torsionswinkel, der 5–50%, vorzugsweise 10–20% der zukünftigen Betriebstorsionsrichtung beträgt. In einem Verfahrensschritt 200 findet dann ein Aushärtvorgang des Harzes, mit dem die Faserlage durchtränkt sind, statt. 1B zeigt weiterhin auf der linken Seite eine optionale Weiterbildung, bei der über einen alternativen, über punktierte Pfeile gekennzeichneten Weg zwischen dem Verfahrensschritt 150 und dem Verfahrensschritt 200 ein Verfahrensschritt 175 eingefügt ist, bei dem der Rohling mit dem noch nicht ausgehärteten Harz in seine endgültige Form gebracht wird, bevor anschließend im Verfahrensschritt 200 der Aushärtvorgang stattfindet. Beispielsweise besteht der Verfahrensschritt 175 in einem Aufbringen des Rohlings auf einen schraubenförmigen Aufwickelkern zur Ausbildung einer Schraubenfeder durch den Rohling, oder einem Biegen eines stabförmigen Rohlings zur Ausbildung eines gebogenen Stabs.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer über das Verfahren hergestellten Faserverbund-Torsionsfeder 1. Um eine Seele 3, die von einem Faserstrang gebildet wird, sind alternierend gegensinnig gewickelt insgesamt sieben Faserlagen 5 a bis 5 g. Während der Herstellung der Faserverbund-Torsionsfeder 1 wird die Seele 3 bereitgestellt, woraufhin nacheinander die mit Harz durchtränkten Faserlagen 5 a bis 5 g auf die Seele 3 beziehungsweise nach Aufwickeln der ersten Faserlage 5 a auf die jeweils bereits vorliegende Faserlage gewickelt werden. Benachbarte Faserlagen 5 sind gegensinnig gewickelt, so dass vorliegend die Faserlagen 5 a, 5 c, 5 e und 5 g einen Steigungswinkel in Bezug auf die Seele 3 aufweisen, und die Faserlagen 5 b, 5 d und 5 f einen davon abweichenden Steigungswinkel, im vorliegenden Fall mit ungefähr gleichem Betrag, jedoch umgekehrten Vorzeichen. Im Rahmen des Herstellungsverfahrens wird die Faserverbund-Torsionsfeder 1 als Rohling mit noch nicht ausgehärtetem Harz in der zukünftigen Betriebstorsionsrichtung verwrungen, danach gegebenenfalls in eine endgültige Form gebracht, falls diese nicht bereits vorliegt, woraufhin das Harz ausgehärtet wird. Während in 2 sieben Faserlagen 5 gezeigt sind, können je nach beabsichtiger Verwendung der erhaltenen Faserverbund-Torsionsfeder 1 auch deutlich mehr Faserlagen 5 vorliegen, beispielsweise Dutzende, Hunderte, Tausende oder mehr. Beispielhafte endgültige Formen für Faserverbund-Torsionsfedern 1 sind in 3 gezeigt. Beispielsweise können die Faserverbund-Torsionsfedern 1 wie als lineare oder wenigstens einfach gebogene Stäbe oder Schraubenfedern ausgebildet sein, wie links, in der Mitte bzw. rechts gezeigt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, etwa hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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