DE102016215938A1

DE102016215938A1 - Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder, sowie Blattfeder und Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016215938A1
Application number: DE102016215938.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Krahn; Thomas Rupflin; Mathias Schramm; Ignacio Lobo Casanova
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-08-26
Also published as: KR20190039298A; EP3504458A1; CN109642630A; JP2019528408A; DE102016215938B4; WO2018036733A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder (1) aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei die Blattfeder (1) aus mehreren Faserlagen mit mindestens einer in Längsrichtung zwischen Enden (4, 5) liegenden Aufdickung (2, 3) gefertigt wird. Um nun den Herstellungsaufwand zu reduzieren, wird die mindestens eine Aufdickung (2, 3) jeweils durch zumindest einen Einleger (8) definiert, welcher als Einheit vorgefertigt und anschließend in dem Bereich der jeweils zu definierenden Aufdickung (2, 3) zwischen einer oberen Decklage (6) und einer unteren Decklage (7) angeordnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei die Blattfeder aus mehreren Faserlagen mit mindestens einer in Längsrichtung zwischen Enden liegenden Aufdickung gefertigt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Blattfeder und ein Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug.
In Fahrwerken von Kraftfahrzeugen können als Tragfedern Blattfedern zur Anwendung kommen, die den Aufbau des Fahrzeuges federnd gegenüber den an den Radträgern vorgesehenen Rädern abstützen. Ein wesentlicher Vorteil einer Blattfeder besteht dabei darin, dass diese im Vergleich zu anderen Federbauarten gleichzeitig auch als Konstruktionselement zur Verbindung von Aufbau und Achse fungieren und Radführungsfunktionen übernehmen kann. Werden dann noch mehrere Blattfedern verwendet, so kann aufgrund der Reibkräfte zwischen den einzelnen Federblättern noch eine gewisse Dämpfung erzielt werden, so dass die Blattfedern die Arbeit eines Schwingungsdämpfers unterstützen können.
Vermehrt werden Blattfedern inzwischen aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, wodurch sich die vorstehend genannten Vorteile bei gleichzeitig geringem Gewicht verwirklichen lassen. Üblicherweise wird die Blattfeder dazu aus mehreren Faserlagen zusammengesetzt, welche je nach gewünschter Gestaltung der Blattfeder zueinander positioniert, kompaktiert und anschließend über eine Kunststoffmatrix stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Je nach Geometrie und Materialwahl der hierdurch letztendlich gebildeten Blattfeder lassen sich dabei unterschiedliche Eigenschaften der Blattfeder realisieren.
Aus der DE 10 2010 050 065 B4 geht ein Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff hervor, wobei die Blattfeder aus mehreren Faserlagen gefertigt wird. Dabei wird zwischen Enden der Blattfeder eine Aufdickung mit einer, im Vergleich zum übrigen Teil der Blattfeder größeren Dicke ausgestaltet, wobei diese Aufdickung hergestellt wird, indem sich Faserlagen mit unterschiedlichen Längen jeweils alternierend von den Enden her in den gewünschten Bereich erstrecken und hier überlappen. Diese gezielte Überlappung der Faserlagen in dem gewünschten Bereich hat dann dort die Aufdickung zur Folge.
Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff zu schaffen, wobei dabei eine Herstellung mindestens einer Aufdickung mit niedrigem Herstellungsaufwand möglich sein soll.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Eine erfindungsgemäße Blattfeder ist zudem Gegenstand von Anspruch 9, während ein eine Blattfeder aufweisendes Fahrwerk in Anspruch 10 beansprucht ist.
Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff die Blattfeder aus mehreren Faserlagen mit mindestens einer in Längsrichtung zwischen Enden liegenden Aufdickung gefertigt. Erfindungsgemäß wird die Blattfeder also aus mehreren einzelnen Faserlagen hergestellt, die in Kombination mit einem Kunststoff einen Faser-Kunststoff-Verbund ausbilden. Im Sinne der Erfindung handelt es sich bei den Fasern dabei um Verstärkungsfasern, insbesondere in Form von Glasfasern, die von einer Kunststoffmatrix umgeben sind. Die Kunststoffmatrix wird dabei bevorzugt durch einen duroplastischen Kunststoff gebildet, welcher in Form von Epoxidharz vorliegen kann.
Bei der zu fertigenden Blattfeder wird dabei im Zuge der Fertigung zwischen den Enden mindestens eine Aufdickung ausgebildet. Hierbei ist unter einer „Aufdickung“ ein Abschnitt der Blattfeder zu verstehen, welcher im Vergleich zu sonstigen Abschnitten der Blattfeder mit einer deutlich größeren Dicke, d.h. einer größeren Erstreckung in Einfederrichtung, ausgeführt ist. Entlang der Längserstreckung der Blattfeder können dabei ein oder auch mehrere derartig aufgedickte Bereiche vorgesehen sein, welche hinsichtlich ihrer Dicke einander entsprechend oder abweichend gestaltet sein können.
Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass die mindestens eine Aufdickung jeweils durch zumindest einen Einleger definiert wird, welcher als Einheit vorgefertigt und anschließend in dem Bereich der jeweils zu definierenden Aufdickung zwischen einer oberen Decklage und einer unteren Decklage angeordnet wird. Mit anderen Worten wird also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens ein Einleger bereits im Vorfeld gefertigt, wobei dieser vorgefertigte Einleger im weiteren Fertigungsprozess der eigentlichen Blattfeder dann zwischen einer unteren und einer oberen Decklage in dem aufzudickenden Bereich platziert wird und nach Verbindung mit den Decklagen dort die gewünschte Aufdickung definiert.
Eine derartige Gestaltung eines Verfahrens hat dabei den Vorteil, dass durch die vorgelagerte Fertigung des zumindest einen Einlegers der Herstellungsaufwand reduziert werden kann. Denn die eigentliche Blattfeder wird somit auf mehrere Komponenten aufgeteilt, welche erst zum Ende des Fertigungsprozesses zusammengeführt werden. Hierdurch kann bei dem Einleger eine Positionierung und Verbindung der einzelnen Faserlagen einfacher gestaltet werden, als dies der Fall wäre, wenn Faserlage für Faserlage in einem Ablauf zur letztendlichen Blattfeder aufeinander gelegt werden würde. Als weiterer Vorteil kann eine Fertigung von Blattfedern hierdurch baukastenartig gestaltet werden, indem verschiedene Kombinationsmöglichkeiten vorgefertigter Ausführungen von Einlegern mit unterschiedlichen Decklagen bestehen und damit auch unterschiedliche Eigenschaften von Blattfedern realisierbar sind. Dabei könnten zudem unterschiedliche, vorgefertigte Einleger untereinander kombiniert werden. Insgesamt lässt sich die Fertigung einer Blattfeder einfach gestalten, indem ein oder mehrere vorgefertigte Einleger zwischen den Decklagen an der oder den jeweiligen Stellen angeordnet und hierdurch ein oder mehrere aufgedickte Bereiche verwirklicht werden.
Dagegen wird im Falle der DE 10 2010 050 065 B4 eine jeweilige Aufdickung einer zu fertigenden Blattfeder durch Realisierung einer entsprechenden Überlappung von Faserlagen gestaltet, welche sich jeweils alternierend von axialen Enden der Blattfeder her in den entsprechenden Bereich erstrecken. Dies gestaltet sich entsprechend aufwendig, da für die Fertigung Faserlage für Faserlage aufeinander geschichtet werden muss und ein Verrutschen der einzelnen Lagen vor dem letztendlichen Fügen zu unterbinden ist.
Dass der zumindest eine Einleger als „Einheit vorgefertigt“ ist, bedeutet im Sinne der Erfindung, dass der Einleger im Zuge eines vorgelagerten Fertigungsprozesses als Faser-Kunststoff-Verbund bereits gefertigt wurde. Bevorzugt werden die einzelnen Faserlagen des Einlegers dabei in einem Ofenprozess vorkompaktiert und in einer Kunststoffmatrix eingebunden.
Prinzipiell kann der Einleger, je nach zu erreichenden Eigenschaften der letztendlichen Blattfeder, aus demselben Faserverbundwerkstoff gefertigt sein, wie die Decklagen oder auch aus einem zu abweichenden Werkstoff. Ebenso können auch die Decklagen aus ein und demselben Werkstoff bestehen oder durch unterschiedliche Werkstoffe gebildet sein.
Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung wird der zumindest eine Einleger im Vorfeld aus mehreren Faserlagen zusammengesetzt, welche in mindestens einem Abschnitt überlappend miteinander verbunden werden und hierdurch in dem jeweiligen Abschnitt eine größere Dicke definieren. In Weiterbildung dieser Ausführungsform werden dabei Faserlagen unterschiedlicher Länge miteinander verbunden. Der zumindest eine Einleger wird also entsprechend einem vordefinierten Muster aus den unterschiedlichen Faserlagen zusammengesetzt, wobei die zu erreichende Dicke durch gezielte Überlappung der unterschiedlichen Faserlagen realisiert wird.
Gemäß einer hierzu alternativen oder auch ergänzenden Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung wird der zumindest eine Einleger im Vorfeld aus mehreren Faserlagen zusammengesetzt, wobei mindestens ein Abschnitt mit größerer Dicke gefertigt wird, indem mindestens eine kürzere Faserlage auf zumindest einer längeren Faserlage befestigt wird. In diesem Fall wird also die gewünschte Dicke des zumindest einen Einlegers dadurch realisiert, dass auf einer oder mehreren längeren Faserlagen eine oder mehrere kürzere Faserlagen aufgesetzt werden. Die Fasern werden also übereinander geschichtet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die obere Decklage und/oder die untere Decklage jeweils durch mehrere Faserlagen gebildet. Erfindungsgemäß setzt sich also die obere Decklage oder die untere Decklage oder auch sowohl die obere, als auch die untere Decklage jeweils aus mehreren Faserlagen zusammen. Hierdurch kann je nach Wahl der Anzahl an Faserlagen die Eigenschaft der letztendlich zu fertigenden Blattfeder beeinflusst werden. Dabei ist es im Sinne der Erfindung auch denkbar, die obere Decklage bzw. die untere Decklage ebenfalls im Rahmen eines vorgelagerten Prozesses vorzufertigen. Alternativ dazu können die einzelnen Faserlagen aber auch erst im Rahmen der Verbindung mit dem mindestens einen, zwischenliegenden Einleger zusammengefügt werden.
In Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform weisen die mehreren Faserlagen jeweils dieselben Längen auf. Besonders bevorzugt erstrecken sich die Faserlagen der oberen Decklage und/oder der unteren Decklage in Längsrichtung der Blattfeder dabei von dem axialen Ende bis hin zum anderen Ende der letztendlichen Blattfeder.
Es ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, dass die mindestens eine Aufdickung jeweils durch mehrere zwischenliegende Einleger gebildet wird. Die einzelne Aufdickung wird also durch Zusammenspiel mehrerer Einleger gebildet, wobei diese Einleger dabei weiter bevorzugt einander entsprechen und gespiegelt zueinander zwischen der oberen Decklage und der unteren Decklage angeordnet sind. Durch dieses Zusammenspiel kann durch die als Gleichteile ausgeführten Einleger eine deutlich höhere Aufdickung realisiert werden.
Eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Blattfeder zeichnet sich dadurch aus, dass in Längsrichtung zwischen Enden mindestens eine Aufdickung ausgebildet ist, wobei im jeweiligen Bereich der mindestens einen Aufdickung zwischen einer oberen Decklage und einer unteren Decklage zumindest ein Einleger vorgesehen ist, welcher als vorgefertigte Einheit mit den Decklagen verbunden ist. Eine derartige Blattfeder ist dann insbesondere Teil eines Fahrwerks für ein Kraftfahrzeug, wobei die verwendete Blattfeder im Weiteren noch entsprechend der weiteren, im Vorfeld beschriebenen Varianten gefertigt sein kann.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der nebengeordneten oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Blattfeder entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung, gezeigt im fertiggestellten Zustand;
2 eine schematische Darstellung der Blattfeder aus 1, zerlegt in ihre Komponenten;
3 eine schematische Einzelansicht eines Einlegers aus 2, gezeigt vor seiner Fertigstellung;
4 eine schematische Einzelansicht des Einlegers im fertiggestellten Zustand;
5 eine schematische Einzelansicht einer oberen Decklage aus 2, gezeigt vor ihrer Fertigstellung;
6 eine schematische Einzeldarstellung einer unteren Decklage aus 2, gezeigt vor ihrer Fertigstellung;
7 eine schematische Darstellung einer Blattfeder entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, gezeigt vor ihrer Fertigstellung; und
8 eine schematische Ansicht einer Blattfeder entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung, gezeigt vor ihrer Fertigstellung
Aus 1 geht eine schematische Ansicht einer Blattfeder 1 hervor, welche entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung gestaltet ist. Wie in 1 zu erkennen ist, weist die Blattfeder 1 zwei Aufdickungen 2 und 3 auf, die in Längsrichtung zwischen Enden 4 und 5 beabstandet zueinander liegen. Dabei ist die Blattfeder 1 im Bereich der Aufdickungen 2 und 3 im Vergleich zu endseitigen Abschnitten und einem zwischenliegenden Mittenbereich mit einer deutlich größeren Dicke ausgeführt. 1 zeigt die Blattfeder 1 dabei in einem fertiggestellten Zustand, in welchem mehrere Faserlagen, insbesondere in Form von Glasfasern, von einer Kunststoffmatrix umgeben sind und einen Faser-Kunststoff-Verbund ausbilden. Der Kunststoff wird dabei insbesondere durch einen duroplastischen Kunststoff gebildet und liegt bevorzugt als Epoxidharz vor.
Als Besonderheit wird die Blattfeder 1 baukastenartigen aus mehreren, vorgefertigten Komponenten zusammengesetzt, welche aus 2 ersichtlich sind. So ist in 2 zu erkennen, dass die Blattfeder 1 durch eine obere Decklage 6, eine untere Decklage 7 und insgesamt vier Einleger 8 gebildet wird, welche jeweils den gleichen Aufbau aufweisen und zwischen der oberen Decklage 6 und der unteren Decklage 7 angeordnet werden. Konkret werden die Einleger 8 dabei jeweils paarweise gespiegelt zueinander liegend an den Stellen zwischen der oberen Decklage 6 und der unteren Decklage 7 vorgesehen, wo die spätere Blattfeder 1 die Aufdickungen 2 und 3 aufweisen soll.
Die Decklagen 6 und 7 und auch die Einleger 8 werden jeweils in vorgelagerten Prozessschritten aus mehreren Faserlagen vorgefertigt, wobei dies für die Einleger 8 in den 3 und 4 dargestellt ist, während 5 die Vorfertigung der oberen Decklage 6 und 6 die Vorfertigung der unteren Decklage 7 zeigt. Bezüglich der Einleger 8 ist in 3 zu erkennen, dass mehrere Faserlagen 9 bis 13 übereinander angeordnet werden, welche unterschiedliche Längen aufweisen. Dabei werden die Faserlagen 10 bis 13 so auf der längsten Faserlage 9 angeordnet, dass die Faserlage 10 mit den schichtartig übereinander angeordneten Faserlagen 11 und 12 überlappt und ihrerseits wiederum von der zuoberst liegende Faserlage 13 überlappt wird. Hierdurch wird die gewünschte Kontur des Einlegers 8 abgebildet, wobei die Faserlagen 9 bis 13 anschließend in einem Ofenprozess zu der in 4 dargestellten keilförmigen Kontur vorkompaktiert werden, um letztendlich von einer Kunststoffmatrix umgeben zu werden.
Wie hingegen aus den 5 und 6 zu erkennen ist, werden sowohl die obere Decklage 6, als auch die untere Decklage 7 jeweils aus mehreren gleich langen Faserlagen 14 gebildet. Dabei weisen die Faserlagen 14 jeweils eine Länge auf, welche einer bei der späteren Blattfeder 1 zwischen den Enden 4 und 5 definierten Länge entspricht. Wie zudem in den 5 und 6 zu sehen ist, setzt sich die obere Decklage 6 dabei aus zwei Faserlagen 14 zusammen, während die untere Decklage 7 durch insgesamt vier Faserlagen 14 gebildet ist. Sowohl die obere Decklage 6, als auch die untere Decklage 7 werden ebenfalls vorkompaktiert und in einer Kunststoffmatrix eingebunden. In einem abschließenden Prozess wird dann aus der oberen Decklage 6, den zwischenliegenden, vier Einlegern 8 und der unteren Decklage 7 die letztendliche Blattfeder 1 gefertigt.
Des Weiteren sind in 7 die Komponenten einer Blattfeder 15 entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu der vorhergehenden Variante sind dabei eine obere Decklage 16 und eine untere Decklage 17 gleich ausgeführt, indem sie aus der gleichen Anzahl an Faserlagen, vorliegend jeweils vier Faserlagen, zusammengesetzt sind. Gleiches ist auch bei den Komponenten einer Blattfeder 18 aus 8 der Fall, bei welcher ebenfalls die obere Decklage 19 und die untere Decklage 20 den gleichen Aufbau aufweisen, also als einander entsprechende Komponenten realisiert sind. Anders als bei der vorhergehenden Variante werden die obere Decklage 19 und die untere Decklage 20 dabei aber jeweils durch je zwei Faserlagen gebildet.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich eine Blattfeder mit niedrigem Herstellungsaufwand fertigen, wobei gleichzeitig unterschiedliche Dickenverläufe problemlos realisierbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Blattfeder
2: Aufdickung
3: Aufdickung
4: Ende
5: Ende
6: obere Decklage
7: untere Decklage
8: Einleger
9: Faserlage
10: Faserlage
11: Faserlage
12: Faserlage
13: Faserlage
14: Faserlage
15: Blattfeder
16: obere Decklage
17: untere Decklage
18: Blattfeder
19: obere Decklage
20: untere Decklage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010050065 B4 [0004, 0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder (1; 15; 18) aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei die Blattfeder (1; 15; 18) aus mehreren Faserlagen (9 bis 14) mit mindestens einer in Längsrichtung zwischen Enden (4, 5) liegenden Aufdickung (2, 3) gefertigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aufdickung (2, 3) jeweils durch zumindest einen Einleger (8) definiert wird, welcher als Einheit vorgefertigt und anschließend in dem Bereich der jeweils zu definierenden Aufdickung (2, 3) zwischen einer oberen Decklage (6; 16; 19) und einer unteren Decklage (7; 17; 20) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Einleger (8) im Vorfeld aus mehreren Faserlagen (10 bis 13) zusammengesetzt wird, welche in mindestens einem Abschnitt überlappend miteinander verbunden werden und hierdurch in dem jeweiligen Abschnitt eine größere Dicke definieren.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Faserlagen (11 bis 13) unterschiedlicher Länge miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Einleger (8) im Vorfeld aus mehreren Faserlagen (9 bis 13) zusammengesetzt wird, wobei mindestens ein Abschnitt mit größerer Dicke gefertigt wird, indem zumindest eine kürzere Faserlage (10 bis 13) auf zumindest einer längeren Faserlage (9) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Decklage (6; 16; 19) und/oder die untere Decklage (7; 17; 20) jeweils durch mehrere Faserlagen (14) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Faserlagen (14) der oberen Decklage (6; 16; 19) bzw. der unteren Decklage (7; 17; 20) dieselben Längen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aufdickung (2, 3) jeweils durch mehrere zwischenliegende Einleger (8) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einander entsprechende Einleger (8) gespiegelt zueinander angeordnet werden.
Blattfeder (1; 15; 18) aus einem Faserverbundwerkstoff, bei welcher in Längsrichtung zwischen Enden (4, 5) mindestens eine Aufdickung (2, 3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im jeweiligen Bereich der mindestens einen Aufdickung (2, 3) zumindest ein Einleger (8) zwischen einer oberen Decklage (6; 16; 19) und einer unteren Decklage (7; 17; 20) vorgesehen ist, wobei der zumindest eine Einleger (8) als vorgefertigte Einheit mit den Decklagen (6, 7; 16, 17; 19, 20) verbunden ist.
Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Blattfeder nach Anspruch 9.