DE102013111702A1

DE102013111702A1 - Faserverbundbauteil und Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102013111702A1
Application number: DE201310111702
Authority: DE
Inventors: Boris Schmidt; Eric BEGENAU; Gustav Rapp
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-04-30
Also published as: US9233591B2; US20150115560A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil (10), insbesondere einen Torsionsstabilisator für ein Kraftfahrzeug, mit einem langgestreckten Grundkörper (14), der eine Mehrzahl von röhrenförmigen Schichten (16) aufweist, die jeweils aus Faserfäden (22) und Vergussharz gebildet sind, wobei die röhrenförmigen Schichten (16) in radialer Richtung des Grundkörpers (14) ineinander angeordnet sind, und wobei die Faserfäden (22) der unterschiedlichen Schichten (16) jeweils in unterschiedlichen Winkeln (α) relativ zu einer Längsrichtung (12) des Grundkörpers (14) ausgerichtet sind, wobei die Faserfäden (22) miteinander verflochten sind, um die unterschiedlichen Schichten (16) zu bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil, insbesondere einen Torsionsstabilisator für ein Kraftfahrzeug, mit einem langgestreckten Grundkörper, der eine Mehrzahl von röhrenförmigen Schichten aufweist, die jeweils aus Faserfäden und Vergussharz gebildet sind, wobei die röhrenförmigen Schichten in radialer Richtung des Grundkörpers ineinander angeordnet sind und wobei Faserfäden der unterschiedlichen Schichten jeweils in unterschiedlichen Winkeln relativ zu einer Längsrichtung des Grundkörpers ausgerichtet sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Torsionsstabilisators für ein Kraftfahrzeug, wobei zwei langgestreckte röhrenförmige Schichten aus Faserfäden in radialer Richtung ineinander angeordnet werden und die röhrenförmigen Schichten mit Vergussharz vergossen werden.
Derartige Faserverbundbauteile dienen im Allgemeinen dazu, Querkräfte und Torsionskräfte z.B. in einem Kraftfahrzeug aufzunehmen.
Es ist allgemein bekannt, Bauteile in einem Kraftfahrzeug und insbesondere tragende Teile in einem Kraftfahrzeug aus Kohlefaserverbundwerkstoffen zu fertigen, um das Gewicht des Kraftfahrzeugs zu reduzieren. Die Kohlefaserfäden werden dabei in unterschiedlichen Richtungen des Bauteils angeordnet und mit Vergussharz miteinander verbunden, um ein stabiles und biege- sowie torsionssteifes Bauteil herzustellen. Dabei ergibt sich eine maximale Federkonstante des Bauteils bei einem Winkel der Faserfäden von 45° relativ zu einer Längsrichtung des Bauteils.
Die Kohlefaserverbundbauteile werden üblicherweise in mehreren Schichten aufgebaut, um die Biegesteifigkeit der Bauteile zu erhöhen. Nachteilig im Allgemeinen bei derartigen schichtweise aufgebauten Faserverbundbauteilen ist es, dass sich die unterschiedlichen Schichten bei Torsionsbelastung relativ zueinander bewegen und daher eine Delamination zwischen den einzelnen Schichten auftreten kann, so dass eine Lebensdauer derartiger Faserverbundbauteile begrenzt ist.
Zur Verbesserung der Lebensdauer eines Torsionsrohrs für ein Kraftfahrzeug wird in der DE 39 10 641 A1 vorgeschlagen, mehrere Lagen von Fasern in Bündeln zusammenzufassen und in den unterschiedlichen Schichten die Fasern in unterschiedlichen Winkeln relativ zu einer Längsrichtung des Bauteils anzuordnen. Nachteilig dabei ist es, dass die Faserbündel gewickelt sind und das Bauteil dadurch eine begrenzte Torsionssteifigkeit aufweist und lediglich geringe Biegekräfte aufnehmen kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Faserverbundbauteil und ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, das eine verbesserte Torsions- und Biegesteifigkeit bei gleichzeitig verlängerter Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Faserverbundbauteil dadurch gelöst, dass die Faserfäden miteinander verflochten sind, um die unterschiedlichen Schichten zu bilden.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren gelöst durch die Schritte Flechten einer ersten langgestreckten röhrenförmigen Schicht aus Faserfäden, Flechten einer zweiten separaten langgestreckten röhrenförmigen Schicht aus Faserfäden, wobei die zweite röhrenförmige Schicht in radialer Richtung um die erste röhrenförmige Schicht angeordnet wird und wobei die Faserfäden der ersten und der zweiten röhrenförmigen Schicht in unterschiedlichen Winkeln relativ zu einer Längsrichtung der röhrenförmigen Schicht geflochten werden.
Dadurch, dass die Faserfäden verflochten werden, kann die Stabilität der einzelnen röhrenförmigen Schichten im Allgemeinen erhöht werden und dadurch, dass die Faserfäden in unterschiedlichen Winkeln relativ zu der Längsrichtung ausgerichtet geflochten werden, kann eine relative Torsionsbewegung der einzelnen Schichten untereinander verhindert bzw. reduziert werden, so dass eine Schubspannung zwischen den einzelnen Schichten minimiert wird und dadurch die Lebensdauer des Faserverbundbauteils erhöht ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit vollständig gelöst.
In einer besonderen Ausführungsform bilden die unterschiedlichen Schichten separate Flechtkörper.
Dadurch können die unterschiedlichen Schichten mit technisch geringem Aufwand hergestellt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Schichten mittels des Vergussharzes fest miteinander verbunden sind.
Dadurch kann die Steifigkeit des Bauteils weiter erhöht werden, da die einzelnen Schichten fest miteinander verbunden sind.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Winkel der Faserfäden der unterschiedlichen Schichten von einer inneren Schicht zu einer äußeren Schicht abnimmt.
Dadurch kann die Torsionssteifigkeit der einzelnen Schichten an den jeweiligen Radius angepasst werden, so dass alle Schichten eine identische Energie aufnehmen und dadurch Schubspannungen zwischen den einzelnen Schichten minimiert sind.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die unterschiedlichen Schichten zusätzlich Längsfäden aufweisen, die parallel zu der Längsrichtung ausgerichtet sind. Dabei kann insgesamt ein triaxiales Geflecht bereitgestellt werden, das Faserfäden in drei Richtungen aufweist.
Dadurch kann die Biegesteifigkeit des Bauteils zusätzlich zu der Torsionssteifigkeit erhöht werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Längsfäden mit den Faserfäden der jeweiligen Schichten verklebt sind.
Dadurch können die Längsfäden mit technisch geringem Aufwand zu den röhrenförmigen Schichten hinzugefügt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Längsfäden mit den Faserfäden der jeweiligen Schichten verflochten sind.
Dadurch kann die Steifigkeit des Bauteils im Allgemeinen weiter erhöht werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Anzahl der Längsfäden in den unterschiedlichen Schichten variiert.
Dadurch kann die Energieaufnahme der einzelnen Schichten bei Verbiegung angepasst werden, so dass die Schubspannung zwischen den einzelnen Schichten bei Verbiegung minimiert wird.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Winkel der Faserfäden von 10° bis 80°, vorzugsweise 30° bis 45° variiert.
Dadurch kann die Torsionssteifigkeit und gleichzeitig die Biegesteifigkeit der unterschiedlichen Schichten optimiert werden.
Insgesamt kann somit ein Faserverbundbauteil und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Faserverbundbauteils bereitgestellt werden, das eine verbesserte Torsionssteifigkeit und eine verbesserte Biegesteifigkeit und gleichzeitig eine verbesserte Lebensdauer aufweist, da die Faserfäden miteinander verflochten sind und in unterschiedlichen Winkeln in den verschiedenen Schichten ausgerichtet sind, wobei die verbesserte Biegesteifigkeit insbesondere durch die zusätzlichen Längsfäden bzw. die Stehfäden parallel zu einer Längsrichtung des Grundkörpers verbessert wird.
Bevorzugt sind die Faserfäden, die Längsfäden bzw. die Stehfäden als Kohlefaserfäden ausgebildet und bilden durch Vergießen mit Vergussharz einen Kohlefaserverbundwerkstoff.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Kohlefaserverbundbauteils mit mehreren Kohlefaserschichten; und
2a–e eine schematische Darstellung eines Flechtelagenaufbaus des Kohlefaserverbundbauteils.
In 1 ist ein Kohlefaserverbundbauteil schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Kohlefaserverbundbauteil 10 ist als zylinderförmiges Bauteil ausgebildet und kann insbesondere als Torsionsstabilisator für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs dienen. Das Kohlefaserverbundbauteil 10 ist zylinderförmig ausgebildet und weist eine Längsachse 12 auf. Das Kohlefaserverbundbauteil 10 weist im Allgemeinen einen Grundkörper 14 auf, der aus einer Mehrzahl von zylinder- bzw. röhrenförmigen Kohlefaserschichten 16 gebildet ist. Die Schichten 16 sind in radialer Richtung des Grundkörpers 14 ineinander angeordnet und als separate Flechtkörper aus Kohlefaserfäden geflochten, die mit Vergussharz vergossen sind. Die Schichten 16 sind in radialer Richtung durch einen Abstand 18 voneinander getrennt, wobei die Schichten 16 durch das Vergussharz fest miteinander verbunden sind bzw. der Abstand 18 von dem Vergussharz ausgefüllt ist.
Die Schichten 16 sind als triaxiales Kohlefasergeflecht ausgebildet, wobei zwei Faserrichtungen der Kohlefaserfäden quer bzw. schräg zu der Längsachse 12 geflochten sind und eine dritte Faserrichtung der Kohlefaserfäden parallel zu der Längsachse 12 geflochten ist und die sog. Stehfäden bilden. Die einzelnen Schichten 16 weisen dabei unterschiedliche Flechtwinkel der schräg verlaufenden Kohlefaserfäden relativ zu der Längsachse 12 auf. Der Flechtwinkel zwischen den Kohlefaserfäden und der Längsachse 12 ist bei der innersten Schicht zwischen etwa 42° bis 45°. Der Flechtwinkel zwischen den Kohlefaserfäden und der Längsachse 12 nimmt von Schicht zu Schicht nach außen hin ab, wobei der Flechtwinkel bei der äußersten Schicht 16 ca. 30° und vorzugsweise 32° beträgt.
Bei Torsionsbewegungen des Kohlefaserverbundbauteils 10 bewegen sich die äußeren Schichten 16 aufgrund der Geometrie und des größeren Radius betragsmäßig stärker als die inneren Schichten 16. Daraus ergibt sich üblicherweise eine Relativbewegung der Schichten 16 zueinander. Durch die Variation des Flechtwinkels der einzelnen Schichten 16 sind die äußeren Schichten 16 durch den kleineren Flechtwinkel weniger torsionssteif und weisen dafür eine höhere Biegesteifigkeit auf. Die innersten Lagen 16 bieten durch den höheren Flechtwinkel eine höhere Torsionssteifigkeit und eine geringere Biegesteifigkeit. Durch die geringere Torsionssteifigkeit der äußeren Schicht können die Schichten 16 alle den gleichen Energiebetrag aufnehmen, so dass Schubspannungen zwischen den Lagen 16 minimiert werden und eine Delamination im Bereich des Abstandes 18 verhindert wird.
Durch den Schichtaufbau des Kohlefaserverbundbauteils 10 kann der Durchmesser des Kohlefaserverbundbauteils 10 erheblich reduziert werden, da die Torsionssteifigkeit durch den Schichtaufbau erhöht werden kann.
Im Allgemeinen kann somit das Kohlefaserverbundbauteil 10 sowohl eine hohe Torsionssteifigkeit als auch eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen und weist ferner eine hohe Lebensdauer auf, da die Schubspannungen zwischen den einzelnen Schichten 16 reduziert ist.
Das Kohlefaserverbundbauteil 10 kann im Allgemeinen als Verbindungsbauteil zur Aufnahme von Torsions- und Biegebewegungen dienen wie beispielsweise als Stabilisator oder als Drehstab bzw. Kardanwelle.
In 2a bis e ist ein Aufbau der Faserfäden in den verschiedenen Schichten 16 schematisch dargestellt.
Im Allgemeinen weisen die Flechtkörper der einzelnen Schichten 16 des Kohlefaserverbundbauteils 10 Flechtfäden 22 und Stehfäden 24 auf. Die Flechtfäden 22 sind schräg zu der Längsachse 12 ausgerichtet bzw. geflochten und weisen in beide Richtungen jeweils den Flechtwinkel α relativ zu der Längsachse 12 auf. Die Stehfäden 24 sind parallel zu der Längsachse 12 angeordnet und können sowohl mit den Flechtfäden 22 verflochten sein als auch lediglich mit den Flechtfäden 22 verklebt sein. Der Flechtwinkel α wird im Allgemeinen von innen nach außen der einzelnen Schichten 16 also von Schicht zu Schicht geringer. Der Flechtwinkel α wird dadurch bestimmt bzw. eingestellt, wie schnell ein Flechtkern durch ein zentral angeordnetes Flechtauge beim Flechten geführt wird.
In 2a ist ein Flechtlagenaufbau für eine äußerste der Schichten 16 schematisch dargestellt, wobei der Flechtwinkel α 32° beträgt. Diese Schicht weist dadurch eine hohe Biegesteifigkeit auf, wohingegen die Torsionssteifigkeit dieser Schicht geringer ist. In 2e ist ein Flechtlagenaufbau für die innerste der Schichten 16 schematisch dargestellt. Der Flechtwinkel α für die innerste Schicht ist dabei 42°, wodurch die Torsionssteifigkeit dieser Schicht 16 hoch ist, jedoch die Biegesteifigkeit geringer. Die Schichten 16 zwischen der innersten und der äußersten Schicht sind in 2b bis 2d dargestellt, wobei der Flechtwinkel schrittweise zunimmt und in 2b 34°, in 2c 36° und in 2d 39° beträgt.
Bei der Herstellung des Kohlefaserverbundbauteils 10 werden die einzelnen Schichten 16 gleichzeitig oder nacheinander geflochten, wobei die Stehfäden 24 einfach mit den Flechtfäden verklebt sein können, also gewickelt werden, oder aber zusammen mit den Flechtfäden 22 verflochten werden. Die Stehfäden 24 erhöhen die Biegesteifigkeit des Kohlefaserverbundbauteils 10 bzw. der einzelnen Schichten 16.
In einer besonderen Ausführungsform kann die Anzahl der Stehfäden 24 in den einzelnen Schichten 16 variiert werden, so dass die Biegesteifigkeit der einzelnen Schichten 16 an die jeweilige Geometrie angepasst werden kann, um eine Schubspannung zwischen den Schichten 16 auch bei Biegebelastung zu minimieren.
Nach dem Flechtvorgang wird der Grundkörper 14 mit dem Vergussharz vergossen, um die Stabilität der einzelnen Flechtkörper zu erhöhen. Dabei sind die einzelnen Schichten 16 voneinander beabstandet und mittels des Vergussharzes fest miteinander verbunden. Alternativ oder zusätzlich können die Kohlefaserfäden auch bereits vorimprägniert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3910641 A1 [0006]

Claims

Faserverbundbauteil (10), insbesondere Torsionsstabilisator für ein Kraftfahrzeug, mit: einem langgestreckten Grundkörper (14), der eine Mehrzahl von röhrenförmigen Schichten (16) aufweist, die jeweils aus Faserfäden (22) und Vergussharz gebildet sind, wobei die röhrenförmigen Schichten (16) in radialer Richtung des Grundkörpers (14) ineinander angeordnet sind, und wobei die Faserfäden (22) der unterschiedlichen Schichten (16) jeweils in unterschiedlichen Winkeln (α) relativ zu einer Längsrichtung (12) des Grundkörpers (14) ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserfäden (22) miteinander verflochten sind, um die unterschiedlichen Schichten (16) zu bilden.
Kohlefaserverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Schichten (16) als separate Flechtkörper gebildet sind.
Kohlefaserverbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (16) mittels des Vergussharzes fest miteinander verbunden sind.
Kohlefaserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) der Faserfäden (22) der unterschiedlichen Schichten (16) von innen nach außen abnimmt.
Kohlefaserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Schichten (16) zusätzlich Längsfäden (24) aufweisen, die parallel zu der Längsrichtung (12) ausgerichtet sind.
Kohlefaserverbundbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsfäden (24) mit den Faserfäden (22) der jeweiligen Schicht (16) verklebt sind.
Kohlefaserverbundbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsfäden (24) mit den Faserfäden (22) der jeweiligen Schicht verflochten sind.
Kohlefaserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Längsfäden (24) in den unterschiedlichen Schichten (16) variiert.
Kohlefaserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) von 10° bis 80°, vorzugsweise 30° bis 45°, variiert.
Kohlefaserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserfäden (22) und die Längsfäden (24) als Kohlefaserfäden ausgebildet sind und dass durch Vergießen mit Vergussharz eine Kohlefaserverbundwerkstoff gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (10), insbesondere eines Torsionsstabilisators für ein Kraftfahrzeug, mit den Schritten: – Flechten einer ersten langgestreckten röhrenförmigen Schicht (16) aus Faserfäden (22), – Flechten einer zweiten separaten langgestreckten röhrenförmigen Schicht aus Faserfäden (22), wobei die zweite röhrenförmige Schicht (16) in radialer Richtung um die erste röhrenförmige Schicht (16) angeordnet wird, wobei die Faserfäden (22) der ersten und der zweiten röhrenförmigen Schicht (16) in unterschiedlichen Winkeln (α) relativ zu einer Längsrichtung (12) der röhrenförmigen Schichten (16) geflochten werden und – Vergießen der röhrenförmigen Schichten (16) mit Vergussharz.