DE102017129241A1

DE102017129241A1 - Federvorrichtung

Info

Publication number: DE102017129241A1
Application number: DE102017129241.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Banas; Ayse Güler; Nils Bornhütter; Phillip Lauber
Original assignee: Universitaet Siegen
Current assignee: Universitaet Siegen
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2037-12-09
Also published as: DE102017129241B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Federvorrichtung aus faserverstärktem Kunststoff, die eine linear veränderliche Querschnittshöhe aufweist, wobei die Federvorrichtung für einen konstanten Spannungsverlauf faserverstärkten Kunststoff aus Glasfasern beinhaltet und C-förmig um die Horizontale und/oder um die Längsmittellinie gebogen ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung und die Verwendung einer solchen Federvorrichtung im Fahrzeug-, Flugzeug- und Eisenbahnbau.

Description

Die Erfindung betrifft eine Federvorrichtung aus faserverstärktem Kunststoff, die eine veränderliche Querschnittshöhe aufweist, ein Verfahren zur Herstellung und die Verwendung einer solchen.
Die Herstellung umweit- und ressourcenschonender Kraftfahrzeuge ist heutzutage an die Minimierung des Emissionsausstoß' gebunden und damit zur Reduzierung des Verbrauchs einhergehend an die Gewichtsreduzierung von Bauteilen gekoppelt. Ebenfalls sehr hoch sind die heutzutage geltenden Anforderungen an den Fahrkomfort. Dabei unterscheiden sich die Komfortanforderungen von Fahrzeugherstellern je nach Art des Fahrzeugs und des Untergrunds. So weisen beispielsweise Schienenfahrzeuge eine viel straffere Federung auf, als Personenkraftwagen. Daher muss eine Feder als Bauteil in einem Fahrzeug so ausgelegt sein, dass sie definierte Komfortanforderungen erfüllt, dabei aber gleichzeitig ein hohes Maß an Steuerbarkeit und Kontrollierbarkeit eines Fahrzeugs im Fahrbetrieb gewährleistet. Insbesondere muss eine Feder gewährleisten, dass die Räder des Fahrzeugs Unebenheiten des Untergrunds folgen und kontinuierlich am Boden haften. Gleichzeitig sollen Unebenheiten möglichst keine Auswirkungen auf die Mechanik, die Ladung und die Insassen des Fahrzeugs haben.
Aus dem Stand der Technik sind im Fahrzeugbau Blattfedern und Schraubfedern bekannt. Blattfedern bestehen meistens aus einem flachen Metallband, das bogenförmig vorgespannt wird. Dabei werden üblicherweise mehrere Blätter mit verschiedenen Längen und Vorspannungen zu einem Blattfederpaket durch Federklemmen zusammengefasst. Auf diese Weise kann die Federkennlinie des Blattfederpakets an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Solche Blattfederungen sind kostengünstig herstellbar, weisen im Vergleich zu anderen Federungsvorrichtungen aber nur einen geringen Federungskomfort und eine eingeschränkte Verbesserung der Fahrsicherheit auf. Zudem ist für den Einsatz solcher Blattfederungen ein erheblicher Bauraum erforderlich.
Weiterhin werden in Fahrzeugen, insbesondere PKW's Schraubenfedern zur Federung eingesetzt. Da sich die Anforderungen an die jeweilige Federkennlinie einer Federung von Fahrzeug zu Fahrzeug unterscheiden, ist für jeden Fahrzeugtyp die Herstellung eines entsprechend angepassten Satzes Schraubenfedern erforderlich. Daher ist der Herstellungsaufwand solcher Schraubenfedern im Vergleich zu den aus mehreren Blattfedern zusammengesetzten Blattfederpaketen erheblich höher.
Zudem werden Schraubenfedern üblicherweise aus Metall hergestellt und weisen daher ein vergleichsweise hohes Federgewicht auf. Ein höheres Eigengewicht der Federn hat einen negativen Einfluss auf, was wiederrum Einflüsse auf das fahrdynamische Verhalten des Fahrzeugs zur Folge hat.
Daher wurde im Stand der Technik zur Reduzierung des Gewichts von Federn bzw. Federbauteilen eine Kombination von Metall- und Faserverbundwerkstoffen entwickelt, die das Gewicht der Federn reduzieren sollen.
So ist in der DE 10 2008 006 411 A1 eine aus Faserverbundstoff ausgeführte Tragfeder für den Einsatz in einer Dämpferanordnung eines Kraftfahrzeugs offenbart. Diese Feder weist einen wellenförmigen Verlauf auf, wobei diese als einzelner Wellenzug aus Umkehrbereichen und Zwischenabschnitten um eine Längsmittellinie mäandert.
Aus der DE 10 2008 024 585 A1 ist ein Federträger mit einer Tragfeder bekannt, die ein erstes und ein zweites Federband aufweist, wobei die beiden Federbänder einen bezogen auf die Längsachse der Tragfeder wellenförmigen Verlauf aufweisen, wobei diese parallel zu der Längsachse des Schwingungsdämpfers angeordnet sind. Die beiden Federbänder sind an den Enden mittels eines Verbindungsstegs fest miteinander verbunden. Die Tragfeder ist aus einem Faserverbundwerkstoff ausgeführt und für die Verwendung in einer Feder-Dämpfer-Anordnung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen.
Aus der DE 10 2008 006 411 der ist eine Feder aus Verbundmaterial mit doppelwellenförmigem Verlauf bekannt. Die Bandfeder umfasst ein wellenförmiges erstes Federband und ein wellenförmiges zweites Federband, die parallel zueinander angeordnet sind und an ihren innenliegenden Umkehrabschnitten ihrer Wellenzüge fest miteinander verbunden sind. In den Umkehrabschnitten sind Durchgangslöcher gebildet, durch die ein rohrförmiges Dämpferelement hindurch gesteckt werden kann.
Ferner ist aus der US 4 927 124 A und aus der US 5 013 013 A ein Federelement bekannt, bei dem jeweils über der ganzen Länge der Feder oder des Federbandes im Wesentlichen eine gleichbleibende Breite und gleichbleibende Dicke vorhanden ist. Es ist auch beschrieben, dass zwei Bandfedern dieser Art in symmetrischer Anordnung in einem Federbein für ein Kraftfahrzeug verwendet werden können.
Aus der US 2007/0267792 A1 sind schließlich Federn konstanter Breite bekannt, bei denen jeweils erste Umkehrbereiche gegenüber zweiten Umkehrbereichen und den verbindenden Zwischenabschnitten in der Dicke erhöht sind. Ein Einfedern erfolgt hierbei zunächst durch Verformen der jeweils zweiten aus dünnerem Material bestehenden Umkehrbereiche, die dadurch in nachteiliger Weise hoch beansprucht werden.
Problematisch am bekannten Stand der Technik ist, dass die hergestellten Federn, trotz ihres minimierten Gewichts mittels der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen hinsichtlich der Federkennlinien nicht frei abstimmbar sind und einen relativ hohen Verschleiß aufweisen.
Die zu Grunde liegende Aufgabe dieser Erfindung ist daher eine Feder unter Einsatz neuartiger Materialien bereit- und herzustellen, die ein hohes Widerstandsmoment aufweist, leicht montierbar und verschleißarm ist.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 10.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen eine Feder d.h. eine Federvorrichtung bereit- und herzustellen, die eine veränderliche Querschnittshöhe aufweist. Dabei ist mit veränderlicher Querschnittshöhe gemeint, dass ausgehend von den endseitigen Begrenzungen oder distalen Enden der Feder sich der Durchmesser eines in der X-Y-Ebene liegenden Federquerschnitts in Richtung der X-Achse ändert und im Bereich der Symmetrieebene B ein Maximum durchläuft, d.h. die Feder besitzt eine zur Mitte der Feder $\frac{π}{2}$
hin symmetrisch veränderte Querschnittshöhe. Die Federvorrichtung beinhaltet für einen im Wesentlichen konstanten Spannungsverlauf faserverstärkten Kunststoff und ist C-förmig um die Z-Achse gebogen. Mit einem im Wesentlichen konstanten Spannungsverlauf soll erfindungsgemäß gemeint sein, dass die Federkraft über den gesamten Bereich der Federvorrichtung in der X-Y Ebene annähernd linear bzw. konstant ist.
Die erfindungsgemäße Federvorrichtung weist eine variable, spannungsoptimierte Profildicke auf, wobei der radiale Verlauf so gestaltet ist, dass sich der Querschnitt in der X-Y-Ebene in Richtung der X-Achse für einen konstanten Spannungsverlauf von einem in Richtung der Y-Achse liegenden distalen Enden zur Mitte der Feder hin verändert, d.h. sich bis in den Bereich einer parallel zur X-Achse liegenden Symmetrieebene B vergrößert und nachfolgend wieder abnimmt. Die Materialdicke in der X-Y-Ebene verändert sich insofern von den Enden zur Mitte der Feder hin, d.h. dass die Bereiche der Enden gegenüber dem mittleren Bereich dünner sind.
Die variable Materialdicke der Enden gegenüber dem mittleren Bereich ist insbesondere im Falle einer C-förmigen und/oder doppel C-förmigen Ausgestaltung gegeben, wobei die C-förmige Ausgestaltung die Form der Federvorrichtung in der X-Y-Ebene beschreibt, bei der die Feder eine Symmetrieebene B in der X-Z-Ebene aufweist und um die Z-Achse gebogen ist. Zusätzlich kann eine doppel C-förmige Ausgestaltung die Geometrie der Federvorrichtung in der Y-Z-Ebene vorhanden sein, bei der eine Symmetrieebene A koaxial zur X-Achse vorhanden ist. Es ist auch möglich dieselbe Feder mit einer C-förmigen Ausgestaltung um die Symmetrieebene B als doppel T-förmigen Ausgestaltung zu beschreiben, indem man definiert, dass die Feder in der YZ-Ebene steht und eine Symmetrieebene B in der X-Z-Ebene aufweist, wonach die Feder eine doppel-T-förmige Form offenbart. Die jeweilige Bezeichnung Doppel C-förmig oder Doppel T-förmig ist somit synonym und hängt von der Betrachtungsweise bzw. der Definition der Symmetrieebenen ab.
Die erfindungsgemäße Feder besitzt ein Profil mit einem hohen Widerstandsmoment, wobei das Profil im Wesentlichen zumindest in Teilbereichen eine ovale oder halbkreisförmige Form um die Symmetrieebene B aufweist. In einer Ausgestaltung ist die Feder C-förmig um die Z-Achse gebogen, d.h. dass die Feder in der X-Y-Ebene C-förmig gekrümmt ist. Das Elastizität-Modul kann dabei in einem Bereich von 133,000 GPA, das Schubmodul in einem Bereich von 53000 MPa, die Streckspannung in einem Bereich von 300 MPa und die Zugfestigkeit in einem Bereich von 577 MPa liegen.
Der Erfindungsgegenstand kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung zusätzlich zur C-förmigen Ausgestaltung einen symmetrischen Querschnitt entlang einer Symmetrieebene A aufweisen, die koaxial zur X-Achse verläuft und orthogonal zur Y-Z-Ebene angeordnet ist und weist nach Berechnung einen durchgehend Doppelt-C-förmigen Querschnitt zu einer Symmetrieebene A auf. Die allgemeine Festlegung des Widerstandsmoments der Federvorrichtung erfolgt auf der Grundlage der folgenden Berechnungen:
Der Flächenträgheitsmoments ergibt sich mit $I = \frac{E \cdot b \cdot h 3}{1 - v 2}; h_{min} = \sqrt{\frac{F \cdot r \cdot 6}{σ m \cdot b} \cdot sin (θ)}$
$F = \frac{d W}{d f} = \sum_{i} \int_{R i} \frac{(M i \cdot d M i)}{(E \cdot I \cdot d F)} d s_{l,}$

und dem Satz von Castigliano: $Τ = \frac{F \cdot r 3 \cdot (1 - v 2)}{E \cdot F \cdot b} \cdot \sqrt{\frac{F \cdot r \cdot 6}{σ m \cdot b}} \cdot \int_{0}^{π} \sqrt{(sin θ) d θ},$

wobei das Integral zwischen 0 und π einen Wert von 2, 396 annehmen kann
und der Gamma-Funktion mit $\begin{matrix} \int_{0}^{\frac{π}{2}} sin {(θ)}^{2 α + 1} \cdot cos {(θ)}^{2 β + 1} d θ = \frac{Γ (2 α + 1) \cdot Γ (2 β+1)}{2 \cdot Γ (α + β + 2)} = \frac{1}{2} B (α+ 1, β+ 1) \\ = \frac{α! \cdot β!}{2 \cdot (α + β + 1)!} (bei ganzzahligen positiven α und β) . \end{matrix}$
Der Federweg, d.h. die Verschiebung bestimmt sich nach: $f (x) = \frac{F \cdot r 3 \cdot 12}{E \cdot B 3 \cdot H \cdot b 3} \sqrt{\frac{F \cdot r \cdot b \cdot H}{B \cdot H 3 \cdot b \cdot σ}} \cdot 2,396228$
und der Biegefestigkeit mit $σ = \frac{F \cdot r \cdot sin (φ) \cdot 6}{B \cdot H 2 \cdot b \cdot h 3}$
Ferner besitzt die Feder einen zur Mitte der Feder $\frac{π}{2}$
hin symmetrisch veränderte Querschnittshöhe. Die Änderung der Querschnittshöhe ist dabei unabhängig von der gewählten Profilform, d.h. unabhängig davon, ob die Feder ein rechteckiges, kastenförmiges oder ein u-förmiges Profil aufweist.
Die erfindungsgemäße Federvorrichtung beinhaltet in einer bevorzugten Ausführungsform faserverstärktem Kunststoff aus GFK und/oder CFK. Der Vorteil in der Ausgestaltung der Federvorrichtung mit faserverstärktem Kunststoff ist, dass eine Gewichtsersparnis bei gleichzeitiger hoher Elastizität der Federvorrichtung gegenüber solchen des Standes der Technik gewährleistet werden kann. Insbesondere kann durch die Verwendung von Endlosfasern wie GFK und/oder CFK unter Einbindung einer duroplastische Kunststoffmatrix neben der Gewichtsersparnis auch eine hohe Steifigkeit des Materials. Die erfindungsgemäße Federvorrichtung kann in ihren Ausführungsformen ausschließlich aus faserverstärktem Kunststoff bestehen.
Die Kunstfasern GFK oder CFK können zu Verbindungen wie Polypropylen, Polyacryl, Polyamid oder Gemische dieser Verbindungen als Kunststoffmatrix in einen Extruder vermischt und auf eine definierte Temperatur erwärmt werden. Eine so entstehende „Vor-Materialmatte“ kann noch im Warmzustand vorbeschnitten und in eine Form eingelegt werden. Die Vor-Materialmatte kann dabei eine regellose Faserorientierung aufweisen oder es kann sich um Prepregs mit definierter Vorzugsorientierung handeln.
Der faserverstärkte Kunststoff kann dabei in Form einer Vor-Materialmatte erwärmt werden und vor dem gemeinsamen Formen in einer Presse positioniert werden. Zusätzlich und/oder alternativ können vor dem Pressvorgang auf den Fasern Haftvermittler zur Verbesserung der Klebverbindung mit der Kunststoffmatrix aufgetragen werden. Haftvermittler sind dabei erfindungsgemäß solche Substanzen, die dazu eingesetzt werden, die Haftfestigkeit von Fasern und Kunststoffen zu verbessern, wie beispielsweise Klebstoffe. Die Klebstoffe sollen erfindungsgemäß insbesondere harzimprägnierte Kunststoffe wie Epoxidharze umfassen.
Nach Materialpräparation und Einlegen der verschiedenen Materialien in eine Maschine, wie beispielsweise ein Presswerkzeug, wird dieses in Gang gesetzt und verpresst die Fasern mit der Kunststoffmatrix, wobei das Presswerkzeug über Blechhalter und Ziehsicken verfügen kann, um ein Auspressen des faserverstärkten Kunststoffs aus dem entstehenden Materialverbund zu verhindern und den Materialfluss des Materialverbundes mit zu bestimmen. Das Presswerkzeug kann dabei die Fasern mit dem Kunststoff stoff-, form- und/oder kraftschlüssig verbinden.
Die aus dem faserverstärktem Kunststoff hergestellte Federvorrichtung, die sich vor allem durch ihr geringes Gewicht, ihre hohe Streckspannung und Zugfestigkeit auszeichnet und deren Herstellung lediglich durch einen Herstellungsschritt gegenüber der Herstellung herkömmlicher Federn mit einem Umformungsprozess des Federmaterials erfolgt, ist zur Anwendung im Fahrzeugbau, Flugzeugbau und Eisenbahnbau vorgesehen. Die erfindungsgemäße Feder weist trotz ihres minimierten Gewichts mittels der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen einen Verschleiß auf und erfüllt die Anforderungen hinsichtlich Elastizität, Schub-, Streck-, und Zugspannung.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren nochmals eingehend erläutert:
In 1 ist eine Federvorrichtung (1) dargestellt, die zumindest in Teilbereichen eine ovale oder halbkreisförmige Form um die Z-Achse (4) aufweist. In dieser Ausgestaltung ist die Federvorrichtung (1) C-förmig um die Z-Achse (4) gebogen. Die Federvorrichtung (1) zeigt eine veränderlicher Querschnittshöhe, wobei damit gemeint ist, dass ausgehend von den endseitigen Begrenzungen oder distalen Enden der Federvorrichtung (1) sich der Durchmesser eines in der X-Y-Ebene liegenden Federquerschnitts in Richtung der X-Achse (2) ändert und im Bereich der Symmetrieebene B (6) ein Maximum durchläuft, d.h. die Feder besitzt einen zur Mitte $\frac{π}{2}$
der Federvorrichtung (1) hin symmetrisch veränderte Querschnittshöhe. Die Federkraft soll über den gesamten Bereich der Federvorrichtung (1) in der X-Y Ebene annähernd linear bzw. konstant sein.
2 zeigt die Federvorrichtung (1), in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands in einem Querschnitt in der Y-Z-Ebene mit der Symmetrieebene A (7) koaxial zur X-Achse (1). Zur Symmetrieebene A (7) zeigt die Federvorrichtung (1) eine durchgehend spiegelsymmetrische Gestalt in Form eines Doppelt-C's. Analog zu der voranstehenden Beschreibung ist jedoch auch möglich dieselbe Federvorrichtung (1) mit einer C-förmigen Ausgestaltung um die Symmetrieebene B (6) mit einer doppel T-förmigen Ausgestaltung zu beschreiben, indem man definiert, dass die Feder in der YZ-Ebene steht und eine Symmetrieebene B (6) in der X-Z-Ebene aufweist, wonach die Federvorrichtung (1) dann eine doppel-T-förmige Form offenbart. Die jeweilige Bezeichnung Doppel C-förmig oder Doppel T-förmig hängt von der Betrachtungsweise bzw. der Definition der Symmetrieebenen A oder B (6, 7) ab.
Die Federvorrichtung (1) weist zudem in dieser Ausgestaltung gewölbte Stege (5) auf, die bei Schub-, Streck- und Zugspannung eine entsprechende Kraftverteilung ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Federvorrichtung
2: X-Achse
3: Y-Achse
4: Z-Achse
5: Stege
6: Symmetrieebene B
7: Symmetrieebene A

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008006411 A1 [0007]
DE 102008024585 A1 [0008]
DE 102008006411 [0009]
US 4927124 A [0010]
US 5013013 A [0010]
US 2007/0267792 A1 [0011]

Claims

Federvorrichtung (1) aus faserverstärktem Kunststoff, die eine veränderliche Querschnittshöhe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (1) für einen im Wesentlichen konstanten Spannungsverlauf in der durch die X-Achse (2) und Y-Achse (3) aufgespannten X-Y-Ebene, faserverstärkten Kunststoff beinhaltet und C-förmig um die Z-Achse (4) gebogen ist.
Federvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von den distalen Enden der Federvorrichtung (1) sich der Durchmesser eines in der X-Y-Ebene liegenden Federquerschnitts in Richtung der X-Achse (1) ändert, wobei der Federquerschnitt im Bereich einer Symmetrieebene B (6) ein Maximum durchläuft.
Federvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Federvorrichtung (1) ausgehend von der Symmetrieebene A (7) in der Y-Z-Ebene die Form eines doppel C's oder ausgehend von der Symmetrieebene B (6) in der X-Z-Ebene die Form eines doppelten T's aufweist.
Federvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelt C-artige Profil oder das doppelt T-förmige Profil gewölbte Stege (5) aufweist.
Federvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (1) GFK und/oder CFK verstärkten Kunststoff umfasst.
Federvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (1) Endlosfasern beinhaltet und eine ungehärtete, duroplastische Kunststoffmatrix umfasst.
Federvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (1) eine Streckspannung im Bereich von 250 bis 350 MPa und eine Zugfestigkeit im Bereich von 500 bis 600 MPa aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Federvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Federvorrichtung (1) mittels zugeschnittener, harzimprägnierter Fasermatten erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Federvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Federvorrichtung (1) mittels in situ verlegter harzimprägnierter Faserstränge und/oder Fasermatten erfolgt.
Verwendung einer Federvorrichtung (1) aus faserverstärktem Kunststoff, die eine veränderliche Querschnittshöhe aufweist, wobei die Federvorrichtung (1) für einen im Wesentlichen konstanten Spannungsverlauf in der durch die X-Achse (2) und Y-Achse (3) aufgespannten X-Y-Ebene, faserverstärkten Kunststoff beinhaltet und C-förmig um die Z-Achse (4) gebogen ist und/oder ausgehend von den distalen Enden der Federvorrichtung (1) sich der Durchmesser eines in der X-Y-Ebene liegenden Federquerschnitts in Richtung der X-Achse (1) ändert, wobei der Federquerschnitt im Bereich einer Symmetrieebene B (6) ein Maximum durchläuft und/oder die Geometrie der Federvorrichtung (1) ausgehend von der Symmetrieebene A (7) in der Y-Z-Ebene die Form eines doppel C's oder ausgehend von der Symmetrieebene B (6) in der X-Z-Ebene die Geometrie eines doppelten T's aufweist, zur Anwendung im Fahrzeug-, Flugzeug- und Eisenbahnbau.