DE102014222982A1

DE102014222982A1 - Verfahren und Werkzeug zum Herstellen eines Federträgers sowie Federträger

Info

Publication number: DE102014222982A1
Application number: DE102014222982.0A
Authority: DE
Inventors: Hendrik MARQUAR; Alexander Schwarz; Andreas Väth; Klaus Stretz; Sven Greger; Günther Handke
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Federträgers mit den Schritten: Bereitstellen eines Rohres in Form einer Flechtstruktur mit Fasern aus Matrixmaterial und Fasermaterial, Bereitstellen eines Innenwerkzeuges im Rohr, Anlegen wenigstens zweier Außenwerkzeuge an der Außenseite des Rohres, wobei ein Bereich zwischen den Außenwerkzeugen frei bleibt, und Zusammenführen der Außenwerkzeuge, sodass sich der Bereich zwischen den Außenwerkzeugen nach außen wölbt und ein Federteller gebildet wird. Daneben betrifft die Erfindung einen federträger und ein Werkzeug zum Herstellen eines Federträgers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Federträgers.
Aufgrund der steigenden Sicherheits- und Komfortbedürfnisse der Kunden werden Kraftfahrzeuge mit immer mehr Komponenten ausgestattet. Damit das Gewicht eines Kraftfahrzeugs nicht im gleichen Maße steigt, werden Leichtbauwerkstoffe verwendet, um das Gewicht in etwa konstant zu halten.
Einer dieser Leichtbauwerkstoffe ist faserverstärkter Kunststoff, im Folgenden auch FVK genannt. Die Fasern bestehen dabei aus Glasfasern oder Carbonfasern, wobei die jeweiligen faserverstärkten Kunststoffe dann auch mit GFK und CFK abgekürzt werden. Bei faserverstärkten Kunststoffen macht der Kunststoff, auch Matrix genannt, den größten Teil des Volumens aus, die Steifigkeit kommt jedoch über die Fasern.
Aus der DE 10 2011 083 688 A1 geht ein Formwerkzeug zum Herstellen von faservertärkten Kunststoffbauteilen hervor. Dieses umfasst vier Formwerkzeugteile, von denen zwei zusammenwirken, um im Kunststoffteil eine Kavität auszubilden.
DE 10 2011 080 029 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Feder aus Faserverbundwerkstoff. Bei diesem Verfahren wird eine Matte aus harzgetränktem Gewebe vor dem Aushärten des Harzes wellenförmig verformt, so dass ein gewelltes Halbzeug entsteht, aus dem eine Balgfeder gerollt werden kann.
DE 10 2012 202 653 A1 beschreibt ein Formwerkzeug zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils. Das Formwerkzeug weist mindestens eine Wickelfläche für eine Faser auf und ist so ausgebildet, dass zusammen mit einem zweiten Formwerkzeugteil eine Kavität entsteht, die die Wickelfläche umfasst.
DE 10 2011 083 173 A1 offenbart eine Tragstruktur für eine Achse eines Fahrzeugs mit wenigstens einem Verbindungsstrukturbauteil, das aus einem isotropen oder quasi isotropen Material aufgebaut ist. Der weiterhin vorhandene Lenker und Karosserieträger ist aus faserverstärktem Kunststoff gebildet.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, weitere Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere einen Federträger, aus faserverstärktem Kunststoff sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Als Kern der Erfindung wird angesehen, dass es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, einen Federträger aus einem Rohr herstellen zu können. Rohre aus faserverstärktem Kunststoff bzw. entsprechende Flechtstrukturen sind bekannt und herstellbar. Daher ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit geringem Zusatzaufwand möglich, einen Federträger herzustellen.
Dabei ist es vorgesehen, dass in das Rohr ein Innenwerkzeug eingeführt wird oder ist und dass die Außenwerkzeuge eine definierte Lücke lassen, so dass beim Zusammenschieben der Außenwerkzeuge, die das Rohr bzw. die Rohrenden mitführen, ein Teil des Rohres, nämlich der Teil zwischen den Außenwerkzeugen, sich aufwölbt und vom Innenwerkzeug abhebt. Durch das Innenwerkzeug wird insbesondere verhindert, dass sich das Rohr nach innen wölbt. Je nach dem gewählten Abstand der Außenwerkzeuge und dem zurückgelegten Weg kann der Durchmesser des so gebildeten Federtellers festgelegt werden. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass in diesem Verfahrensstadium das Rohr als Flechtstruktur vorliegt und nicht als starres Kunststoffrohr.
Vorteilhafterweise kann das Innenwerkzeug auch zum Herstellen der Flechtstruktur verwendet werden. Dann wird die Flechtstruktur um das Innenrohr herum geflochten, mit Harz oder Kunststoff getränkt und verfestigt.
Wird alternativ ein fertig geflochtenes Rohr verwendet, wird das Innenwerkzeug einfach in das Rohr eingeschoben.
Vorteilhafterweise kann das Rohr zumindest im Bereich um den zu bildenden Federteller vor dem Zusammenschieben erwärmt werden, so dass die Fasern aus Matrixmaterial aufschmelzen. Aufschmelzen bedeutet dabei nicht unbedingt vollständig schmelzen, in einem ersten Schritt kann auch vorgesehen sein, dass sich lediglich die Verformbarkeit der Faserstruktur bzw. der Fasern erhöht. Nach der Bildung des Federtellers oder spätestens nach dem Vorsehen weiterer Strukturen ist aber selbstverständlich vorgesehen, dass die Fasern aus Matrixmaterial vollständig aufgeschmolzen werden, um sie dann in der endgültigen Struktur zu verfestigen.
Vorteilhafterweise kann in den Federteller eine Tasche eingearbeitet werden. Diese Tasche dient der Anbindung eines Stabilisators und wird bevorzugt mit einem weiteren Formwerkzeug hergestellt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die beiden Außenwerkzeuge bereits Aufsätze enthalten, um nach dem Bilden des Federtellers in diesen auch die Tasche einfügen zu können.
Vorzugsweise kann ein Innenwerkzeug verwendet werden, dass an einem Ende U-förmig geformt ist. Weiterhin kann vorzugsweise ein Außenwerkzeug verwendet werden, das an einem Ende in radialer Richtung in der Mitte einen Vorsprung aufweist, der in das U-förmige Ende eingeschoben wird. Es kann sich dabei um eines der Außenwerkzeuge zur Bildung des Federtellers handeln, es kann sich aber auch um ein weiteres eigenständiges Außenwerkzeug handeln. Auf diese Art und Weise erhält der Federträger auf einer Seite einen U-förmigen Abschluss, wobei wiederum eine Herstellung mit einer einzigen Flechtstruktur möglich ist.
Vorzugsweise wird wie beschrieben an einem Ende des Rohres ein U-förmiger Abschluss gebildet, wobei die offenen Abschnitte mittels Erwärmung des faserverstärkten Kunststoffes verschlossen werden. Selbstverständlich ist es möglich, auch vor dem Verschluss der offenen Abschnitte das Ende der Flechtstruktur zu erwärmen, so dass die Fasern aus Matrixstruktur verformbar, insbesondere biegbar, sind ohne zu brechen oder bereits derart angeschmolzen sind, dass sie mit den Fasern aus Fasermaterial zusammen kleben. Inwieweit die Fasern aus Matrixmaterial anzuschmelzen sind, hängt auch vom Matrixmaterial ab, die Fasern werden zu Beginn des Verfahrens lediglich soweit erwärmt wie es nötig ist, um das Verfahren durchführen zu können, wohingegen das endgültige Aufschmelzen bevorzugt erst am Ende des Verfahrens erfolgt.
Vorzugsweise können in das Rohr Gleitringe eingeschoben werden. Werden diese vor dem vollständigen Aufschmelzen der Fasern aus Matrixmaterial eingeschoben, so können die Gleitringe in die Wand des Rohres eingeschmolzen werden. Die Gleitringe dienen der Aufnahme eines Zylinderaggregats, z.B. eines Schwingungsdämpfers.
Vorzugsweise kann nach dem Entfernen des Innenwerkzeugs ein Druckanschlagpuffer in den Federträger eingeführt werden. Der Druckanschlagpuffer ist bevorzugt topfförmig ausgebildet. Der Druckanschlagpuffer wird am U-förmigen Ende des Federträgers angeordnet, wo bevorzugt auch die Kolbenstange eines Schwingungsdämpfers befestigt wird. Der Druckanschlagpuffer hilft dann, die übertragenen Kräfte zu verteilen und das U-förmige Ende des Federträgers zu entlasten. Der Druckanschlagpuffer ist bevorzugt aus Metall, insbesondere kann es sich um eine Art Blechtopf handeln. Alternativ zum Ausbilden des U-förmigen Endes aus der Flechtstruktur ist es auch möglich, einen Teil des Federträgers, insbesondere das U-förmige Ende, als Kunststoff-Spritzgussteil herzustellen. Auch ein Kunststoff-Spritzgussteil kann mit Faserstücken als faserverstärktes Kunststoffteil ausgebildet sein, jedoch ist der Federträger als solches dann nicht mehr aus einer einzigen Flechtstruktur hergestellt. Es ist aber auch möglich, das Kunststoff-Spritzgussteil alleine aus Kunststoff und damit ohne Faserverstärkung herzustellen.
Mit besonderem Vorteil kann die Flechtstruktur eine multiaxiale, insbesondere eine triaxiale, Struktur aufweisen. Wird die Flechtstruktur nicht einfach kreuzförmig geflochten ergibt sich eine Festigkeit in mehrere Richtungen. Durch die triaxiale Struktur der Flechtstruktur lässt sich die Steifigkeit des Federträgers verbessern.
Vorteilhafter Weise kann der Federträger an einem Ende einen Anschlussbereich aus Metall, insbesondere aus Aluminium, aufweisen. Durch die Ausbildung eines metallischen Bereichs kann die Steifigkeit des Federträgers in besonders beanspruchten Bereichen erhöht werden, wobei etwas Gewichtsvorteil aufgegeben wird.
Daneben betrifft die Erfindung auch ein Werkzeug zur Herstellung eines Federträgers aus faserverstärktem Kunststoff. Der Federträger muss zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff bestehen. Das Werkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass es ein zylindrisches Innenwerkzeug und wenigstens zwei Außenwerkzeuge umfasst. Vorzugsweise kann das Innenwerkzeug an einem Ende U-förmig ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist es an einem Ende eine Einkerbung derart auf, dass das Ende U-förmig ist. In der Senke muss das U nicht rund sein, es kann auch eckig ausgebildet sein.
Vorzugsweise können die Außenwerkzeuge jeweils eine radial nach außen abstehende Anschlagfläche umfassen. Diese dient dazu, den Federteller zusammen zu pressen.
Vorteilhafterweise kann das Innenwerkzeug und/oder wenigstens ein Außenwerkzeug mit einer Heizeinrichtung versehen oder verbindbar sein. Dadurch entfällt das Vorsehen einer zusätzlichen Heizeinrichtung bzw. die Erwärmung der Flechtstruktur ist dahingehend optimiert, dass die Wärme über ein großflächiges Werkzeug eingebracht wird, das aufgrund seiner Materialbeschaffenheit auch eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Dabei wird vorausgesetzt, dass das Werkzeug aus Metall besteht, ansonsten könnte der Wärmeeintrag in das Werkzeug sogar zu Beschädigungen am Werkzeug führen.
Selbstverständlich kann in einer alternativen Ausgestaltung das Werkzeug auch beispielsweise aus einem Kunststoff bestehen, wobei dieser in seiner Steifigkeit größer als die des Rohres bzw. der Flechtstruktur liegen muss. Allerdings ist ein derartiges Werkzeug üblicherweise nicht zum Erwärmen zu verwenden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus den im Folgenden gezeigten Figuren und Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
1 einen Federträger im Querschnitt,
2 einen Federträger in einem zweiten Querschnitt, und
3 einen Federträger in einer perspektivischen Ansicht.
1 zeigt einen Federträger 1. Dieser umfasst einen ersten Abschnitt 2, einen zweiten Abschnitt 3 und einen dritten Abschnitt 4. Zwischen dem ersten Abschnitt 2 und dem zweiten Abschnitt 3 befindet sich der Federteller 5. An seinem einen Ende weist der Federträger 1 ein U-förmiges Ende 6 auf. In 1 ist das U auf den Kopf gestellt. Am U-förmigen Ende 6 ist weiterhin ein Druckanschlagpuffer 7 vorgesehen. Dieser weist ebenso wie der Federträger eine Öffnung 8 zum Fixieren einer Kolbenstange eines in den Federträger 1 eingeführten Schwingungsdämpfers auf, wobei der Schwingungsdämpfer in 1 nicht dargestellt ist. Die Anordnung und Befestigung eines Schwingungsdämpfers in einem Federträger ist aber bekannt und bedarf daher keiner weiteren Ausführungen.
Zum offenen Ende 9 hin sind weiterhin zwei Gleitringe 10 innerhalb des Federträgers 1 angeordnet, wobei ein Gleitring 10 oberhalb des Federtellers 5 und der andere Gleitring 10 unterhalb des Federtellers 5 angeordnet ist. Es können aber auch mehr als ein Gleitring oberhalb oder unterhalb des Federtellers 5 vorhanden sein. Die Höhe 12 des Federtellers 5 beträgt 15 bis 50 mm und hängt von der Wandstärke des Federträgers 1 ab, da der Federteller 5, wie oben beschrieben, durch Ausfalten eines Teils der Wandung des Rohres bzw. der Flechtstruktur, aus der das Rohr entsteht, gebildet wird. Die Länge 14 des Federtellers 5 beträgt 10 bis 50 mm.
2 zeigt den Federträger 1 ebenfalls im Längsschnitt, aber im Vergleich zu 1 gedreht, so dass der Träger 16 dargestellt ist. Nach der Ausbildung des Federtellers 5 wird der Träger 16 aus einem Teil des Federtellers 5 geformt, indem zwei Werkzeuge zur Formung verwendet werden. Im dritten Bereich 4 ist ein Teil des U-förmigen Endes 6 dargestellt, obwohl dieses in diesem Schnitt an und für sich nicht sichtbar ist. Diese Darstellung dient lediglich der Veranschaulichung.
3 zeigt den Federträger 1 in einer perspektivischen Darstellung. Gut erkennbar ist, dass der Federteller 5 im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist, jedoch am Federteller 5 der Träger 16 ausgebildet wird. Der Träger 16 dient als Aufnahme für eine Stabilisator-Anbindung. Da der Träger 16 aus einem Teil des Federtellers 5 geformt wird, ist seine Wandung dünner ausgebildet als die des Federtellers 5. Der Federteller 5 kann erwärmt werden, um den Träger 16 auszubilden.
Das U-förmige Ende 6 weist zwei Schenkel auf, die wie oben beschrieben, ebenfalls aus einer rohrförmigen Flechtstruktur herausgebildet werden können. Es ist jedoch auch möglich, das U-förmige Ende 6 als Metallteil oder als Kunststoff-Spritzgussteil herzustellen und an den Rest des Federträgers 1 anzubinden. In diesem Fall sind nur der erste Abschnitt 2 und der zweite Abschnitt 3 aus faserverstärktem Kunststoff und der dritte Abschnitt 4 ist aus Metall oder Kunststoff.
Der Vorteil dieses Verfahrens zur Herstellung eines Federträgers liegt darin, dass der Federteller 5 aus der Flechtstruktur direkt hergestellt wird und daher Anbindungsprobleme an einen rohrförmigen Grundkörper somit entfallen.
Bezugszeichenliste

1: Federträger
2: erster Abschnitt
3: zweiter Abschnitt
4: dritter Abschnitt
5: Federteller
6: U-förmiges Ende
7: Druckanschlagpuffer
8: Öffnung
9: offenes Ende
10: Gleitring
12: Höhe
14: Länge
16: Träger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011083688 A1 [0004]
DE 102011080029 A1 [0005]
DE 102012202653 A1 [0006]
DE 102011083173 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Federträgers (1) mit den Schritten: – Bereitstellen eines Rohres in Form einer Flechtstruktur mit Fasern aus Matrixmaterial und Fasermaterial, – Bereitstellen eines Innenwerkzeuges im Rohr, – Anlegen wenigstens zweier Außenwerkzeuge an der Außenseite des Rohres, wobei ein Bereich des Rohres zwischen den Außenwerkzeugen frei bleibt, und – Zusammenführen der Außenwerkzeuge, sodass sich der Bereich des Rohres zwischen den Außenwerkzeugen nach außen wölbt und ein Federteller gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr zumindest im Bereich um den zu bildenden Federteller (5) vor dem Zusammenschieben erwärmt wird, sodass die Fasern aus Matrixmaterial aufschmelzen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Federteller (5) eine Tasche (16) eingearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenwerkzeug verwendet wird, das an einem Ende U-förmig geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenwerkzeug verwendet wird, das an einem Ende in radialer Richtung in der Mitte einen Vorsprung aufweist, der in das U-förmige Ende eingeschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende des Rohres ein U-förmiger Abschluss (6) gebildet wird, wobei die offenen Abschnitte mittels Erwärmung des faserverstärkten Kunststoffes verschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Rohr Gleitringe (10) eingeschoben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entfernen des Innenwerkzeugs ein Druckanschlagpuffer (7) in den Federträger (1) eingeführt wird.
Federträger mit einem rohrförmigen Grundkörper und einem Federteller (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Federträger (1) wenigstens teilweise aus faserverstärktem Kunststoff besteht.
Federträger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff eine multiaxiale, insbesondere triaxiale, Struktur aufweist.
Federträger nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Federträger (1) an einem Ende einen Anschlussbereich aus Metall, insbesondere aus Aluminium, aufweist.
Werkzeug zur Herstellung eines Federträgers aus faserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein zylindrisches Innenwerkzeug und wenigstens zwei Außenwerkzeuge umfasst.
Werkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenwerkzeug an einem Ende U-förmig ausgebildet ist
Werkzeug nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwerkzeuge jeweils eine radial nach außen abstehende Anschlagsfläche umfassen.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenwerkzeug und/oder wenigstens ein Außenwerkzeug mit einer Heizeinrichtung versehen oder verbindbar ist.