DE102018129549B9 - Shaping the ends of coil springs - Google Patents
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Abstract
Schraubenfeder (100, 100'), die mehrere Windungen aus einem helixartig gewundenen Federdraht (10, 10', 10'') aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, aufweisend eine Faserverstärkung und ein Matrixmaterial, aufweist, wobei die Faserverstärkung über die gesamte Länge des Federdrahtes (10, 10', 10") als Endlosfasermaterial mit konstanter Faseranzahl verläuft, wobei die Schraubenfeder (100, 100') zwei Federenden und an mindestens einem der Federenden in einer letzten Windung (1) der Schraubenfeder (100, 100') einen Übergangsbereich (B) und daran in Richtung des Endes des Federdrahtes (10, 10', 10") anschließend einen Endbereich (E) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des Federdrahtes (10, 10', 10") im Übergangsbereich (B) von einer Querschnittsfläche (A0) des Federdrahtes (10, 10', 10") in einem Mittelteil der Feder (100, 100') in eine geringere Querschnittsfläche (A1) des Endbereiches (E) übergeht, indem der Faservolumengehalt im Federdraht (10, 10', 10") im Verlauf des Übergangsbereichs (B) kontinuierlich erhöht wird.Helical spring (100, 100'), which has several turns of a helically wound spring wire (10, 10', 10'') made of fiber-reinforced plastic material, having a fiber reinforcement and a matrix material, the fiber reinforcement being distributed over the entire length of the spring wire (10 , 10', 10") as continuous fiber material with a constant number of fibers, the helical spring (100, 100') having two spring ends and at least one of the spring ends in a last coil (1) of the helical spring (100, 100') a transition area (B ) and then has an end region (E) in the direction of the end of the spring wire (10, 10', 10"), characterized in that a cross-sectional area of the spring wire (10, 10', 10") in the transition region (B) from a The cross-sectional area (A0) of the spring wire (10, 10', 10") in a central part of the spring (100, 100') transitions into a smaller cross-sectional area (A1) of the end region (E), in that the fiber volume content in the spring wire (10, 10' , 10") in Ve is continuously increased over the course of the transition region (B).
Description
Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Verfahren zur Herstellung von Schraubenfedern mit speziell ausgeformten Enden, eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Schraubenfedern, sowie die so erzeugten Schraubenfedern.The subject matter of the present application is a method for producing helical springs with specially shaped ends, a device for producing such helical springs, and the helical springs produced in this way.
Unter Schraubenfedern werden Federn verstanden, die einen Federdraht aufweisen, der sich helixartig gewunden von einem ersten Federende zu einem zweiten Federende erstreckt. Die Schraubenfeder weist dabei eine Längsachse auf, um die herum die Windungen des Federdrahtes verlaufen. Der Außendurchmesser der Schraubenfeder wird durch die von dieser Längsachse radial am weitesten entfernten Oberflächenabschnitte des Federdrahtes bestimmt. Der Innendurchmesser durch die radial am nächsten zur Längsachse befindlichen Oberflächenabschnitte des Federdrahtes. Die Federdrähte weisen dabei häufig einen über die gesamte Länge konstanten Querschnitt auf. Dieser ist meist kreisrund. Es sind jedoch auch elliptische Querschnitte oder polygonale Formen bekannt.Coil springs are springs that have a spring wire that extends in a helically wound manner from a first spring end to a second spring end. The helical spring has a longitudinal axis around which the windings of the spring wire run. The outside diameter of the helical spring is determined by the surface sections of the spring wire that are radially furthest away from this longitudinal axis. The inside diameter through the surface portions of the spring wire radially closest to the longitudinal axis. The spring wires often have a constant cross-section over the entire length. This is mostly circular. However, elliptical cross sections or polygonal shapes are also known.
Die Achse des Federdrahtes (Federdrahtachse) verläuft in den genannten helixartigen Windungen um die Längsachse der Schraubenfeder herum.The axis of the spring wire (spring wire axis) runs around the longitudinal axis of the helical spring in the helical coils mentioned.
Schraubenfedern werden in einer Vielzahl von technischen Feldern angewandt. Ein besonders bedeutsames Anwendungsgebiet ist der Fahrzeugbau. Hier dienen die Federn häufig als stoßminderndes Element in Fahrgestellen. In diesem Anwendungsgebiet sind die Federn häufig als Stahlfedern ausgeführt. Dies ermöglicht eine gute Federwirkung bei begrenzter Baugröße, bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass die Federn ein hohes Gewicht aufweisen. Davon ausgehend haben sich die Bestrebungen herausgebildet, Stahlfedern durch Federn in Faserverbundbauweise zu ersetzen. Problematisch ist dabei, dass die Federn in Faserverbundbauweise in den Bauraum, der für Stahlfedern vorgesehen ist, eingesetzt werden sollen. Die für Federn in Faserverbundbauweise eingesetzten Grundwerkstoffe verfügen im Allgemeinen über geringere Steifigkeiten als die isotropen Metalllegierungen von Stahlfedern. Die Federdrähte der Schraubenfedern in Faserverbundbauweise sind daher unter Umständen mit größerem Durchmesser auszuführen. Dies reduziert, bei konstant gehaltenem Bauraum, den zur Verfügung stehenden Federweg. Daher kann es bei Schraubenfedern in Faserverbundbauweise eher zu einem Aufeinandertreffen der einzelnen Federwindungen - dem sogenannten Blocken - kommen.Coil springs are used in a variety of technical fields. A particularly important area of application is vehicle construction. Here the springs often serve as a shock-reducing element in the chassis. In this field of application, the springs are often designed as steel springs. This enables a good spring action with a limited size, but has the disadvantage that the springs are very heavy. Based on this, attempts have been made to replace steel springs with springs made from fiber composites. The problem here is that the springs in fiber composite construction are to be used in the installation space that is provided for steel springs. The base materials used for fiber composite springs are generally less rigid than the isotropic metal alloys of steel springs. The spring wires of the fiber composite coil springs may therefore have to be designed with a larger diameter. This reduces the available spring deflection while keeping the installation space constant. Therefore, with helical springs in fiber composite construction, the individual spring coils can come together - so-called blocking.
Es gibt nunmehr eine Reihe von Bemühungen, die Federn möglichst kompakt auszuführen und dabei das Problem des Blockens, dass auch bei Schraubenfedern aus anderen Materialien bekannt ist, zu unterbinden bzw. ohne undefinierte Kraftverteilungen, wie sie bei dem Aufeinandertreffen von Federwindungen aus Federdraht mit kreisförmigem Querschnitt zu erwarten sind, ablaufen zu lassen.There are now a number of efforts to make the springs as compact as possible and to prevent the problem of blocking, which is also known with coil springs made of other materials, or without undefined force distributions, as occurs when spring coils made of spring wire with a circular cross-section meet are expected to expire.
Die
Ein ähnliches Vorgehen schlägt die
Gegenstand der JP H07- 113 389 B2 ist eine Schraubenfeder, die mit einer Torsionsbelastung um ihre Längsachse beaufschlagt wird. Die Beaufschlagung erfolgt über einen Klemmmechanismus. Als problematisch bei bisherigen Konstruktionen hatte sich erwiesen, dass die Federenden bei Belastung an dem Klemmmechanismus gerieben haben und einer starken Abnutzung unterlagen. Dies soll vermieden werden, indem eine konische Ausformung der Federenden vorgenommen wird. Die Figuren
Einen anderen Ansatz zur Verlängerung des zur Verfügung stehenden Federweges besteht darin, die Windungsradii, also den Abstand der Achse des Federdrahtes in einer Windung von der Längsachse, zu variieren. Dies führt jedoch zu einer ungleichmäßigen Beanspruchung der Feder über ihre Länge. Ein Versagen ist so wahrscheinlicher.Another approach to extending the available spring travel is to vary the coil radii, ie the distance between the axis of the spring wire in one coil and the longitudinal axis. However, this leads to an uneven stress on the spring over its length. Failure is more likely that way.
Beispielhaft sei für dieses Vorgehen die
Die
Der Stand der Technik bietet eine Vielzahl von Lösungen für Stahlfedern. Nur die wenigsten sind jedoch für Federn aus Faserverbundmaterial geeignet.The prior art offers a variety of solutions for steel springs. However, only very few are suitable for springs made of fiber composite material.
Es stellt sich somit die Aufgabe, eine Möglichkeit vorzuschlagen, wie Schraubenfedern aus Faserverbundmaterial, besonders in den Endbereichen, vorteilhaft so gestaltet werden können, dass ein möglichst großer Federweg unter Beibehaltung einer möglichst gleichmäßigen Steifigkeit über die gesamte Federlänge erreicht wird. Darüber hinaus sind ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schraubenfeder sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Schraubenfeder aufzuzeigen.The object is therefore to propose a way of advantageously designing helical springs made of fiber composite material, particularly in the end regions, in such a way that the greatest possible spring deflection is achieved while maintaining the most uniform stiffness possible over the entire spring length. In addition, a method for producing such a helical spring and a device for producing such a helical spring are to be shown.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Schraubenfeder nach Anspruch 1 gelöst. Herstellungsverfahren sind in den Ansprüchen 13 bis 15 offenbart. Eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schraubenfeder ist in Anspruch 16 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Vorgehensweisen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen dargestellt.According to the invention, the object is achieved with a helical spring according to
Die erfindungsgemäße Schraubenfeder weist mehrere Windungen aus einem helixartig gewundenen Federdraht aus faserverstärktem Kunststoffmaterial auf. Der Federdraht weist somit eine Faserverstärkung und ein Matrixmaterial auf. Die Faserverstärkung des Kunststoffmaterials verläuft als Endlosfasermaterial mit konstanter Faseranzahl über die gesamte Länge des Federdrahtes. Unter „Endlosfasermaterial“ wird ein Material verstanden, dessen Fasern im Wesentlichen unterbrechungsfrei verlaufen, wobei technologisch bedingte Brüche einzelner Filamente unberücksichtigt bleiben. Die Faserverstärkung verläuft dabei im Inneren des Federdrahtes.The helical spring according to the invention has a plurality of windings made of a helically wound spring wire made of fiber-reinforced plastic material. The spring wire thus has fiber reinforcement and a matrix material. The fiber reinforcement of the plastic material runs as a continuous fiber material with a constant number of fibers over the entire length of the spring wire. "Continuous fiber material" is understood to mean a material whose fibers run essentially without interruption, with technologically caused breaks in individual filaments being disregarded. The fiber reinforcement runs inside the spring wire.
Die Schraubenfeder weist zwei Federenden sowie an mindestens einem der Federenden in der letzten Windung der Schraubenfeder einen Übergangsbereich und daran in Richtung des Endes des Federdrahtes anschließend einen Endbereich auf.The helical spring has two spring ends as well as a transition area on at least one of the spring ends in the last turn of the helical spring and an end area adjoining this in the direction of the end of the spring wire.
Erfindungsgemäß weist die Schraubenfeder an einem oder an beiden Enden Querschnittsfläche auf, wobei jedoch die Faserverstärkung in ihrer Faserzahl konstant bleibt.According to the invention, the helical spring has a cross-sectional area at one or both ends, but the number of fibers in the fiber reinforcement remains constant.
Optional weist die Schraubenfeder weiterhin an einem oder an beiden Enden eine von der Querschnittsform des Federdrahtes im Mittelteil abweichende Querschnittsform auf wobei jedoch die Faserverstärkung in ihrer Faserzahl konstant bleibt.Optionally, the helical spring also has a cross-sectional shape at one or both ends that differs from the cross-sectional shape of the spring wire in the central part, but the number of fibers in the reinforcement remains constant.
Bevorzugt ist die Querschnittsform des Federdrahtes zumindest im Mittelteil kreisförmig. Es sind jedoch auch elliptische Querschnittsformen (mit der Ausrichtung der großen Halbachse senkrecht oder vertikal zur Längsachse der Feder) oder rechteckige Formen (mit abgerundeten Ecken) möglich.The cross-sectional shape of the spring wire is preferably circular, at least in the central part. However, elliptical cross-sectional shapes (with the orientation of the major semi-axis perpendicular or vertical to the longitudinal axis of the spring) or rectangular shapes (with rounded corners) are also possible.
Der Federdraht besteht aus einer oder mehreren Lagen aus geflochtenen oder gewickelten Faserlagen. Diese können sich in Faserorientierung (Winkel zur Federdrahtachse) oder in der Herstellungsweise (bspw. geflochten, gewickelt, tapegelegt, unidirektionale Einzelrovings abgelegt) unterscheiden. Der Federdraht weist dabei Endlosfasern auf, die sich im Wesentlichen unterbrechungsfrei über die gesamte Länge des Federdrahtes erstrecken. Optional ist auch der Einsatz von unverstärkten, kurzfaserverstärkten und/oder langfaserverstärkten Zwischenlagen möglich.The spring wire consists of one or more layers of braided or wound fiber layers. These can differ in fiber orientation (angle to the spring wire axis) or in the manufacturing method (e.g. braided, wound, taped, unidirectional individual rovings laid). The spring wire has endless fibers that extend essentially without interruption over the entire length of the spring wire. Optionally, the use of unreinforced, short-fiber-reinforced and/or long-fiber-reinforced intermediate layers is also possible.
Die Feder weist optional einen Kern auf. Dieser besteht vorzugsweise aus Faserverbundmaterial, bei dem die Fasern unidirektional oder leicht verdrillt parallel zur Federdrahtachse verlaufen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sehen einen hohlen Kern vor, bei dem ein axialer Hohlraum von einem Faserverbundmaterial oder einer unverstärkten Kunststoffumhüllung umgeben ist. Weiterhin bevorzugt ist ein Kern, der vollständig aus Kunststoff besteht oder ein Kern, der ausschließlich durch einen Hohlraum gebildet wird. Das Kernmaterial kann ausschmelzbar sein.The spring optionally has a core. This consists preferably of fiber composite material in which the fibers run unidirectionally or slightly twisted parallel to the spring wire axis. Further preferred embodiments provide a hollow core in which an axial cavity is surrounded by a fiber composite material or an unreinforced plastic sheath. Also preferred is a core that consists entirely of plastic or a core that is formed exclusively by a cavity. The core material can be meltable.
Die Faserverstärkung des Federdrahtes ist von einem Matrixmaterial umgeben, dass auch zwischen die Verstärkungsfasern eingedrungen ist. Als Material der Faserverstärkung kommen vorzugsweise die bekannten Fasermaterialien des Faserverbundleichtbaus zum Einsatz. Dies sind beispielsweise Glasfasern, Kohlenstoffasern, Metallfasern, Gesteinsfasern, Naturfasern etc. Als Matrixmaterialien werden duroplastische Materialien, vorzugsweise Harzsysteme (Epoxidharze, Polyesterharze, Phenolharze etc.) eingesetzt. Es sind auch thermoplastische Kunststoffe denkbar, wenn es die Anforderungen zulassen. Beispielsweise befindet sich die Feder hauptsächlich im unbelasteten Zustand und wird nur selten für eine kurze Zeit belastet oder der thermoplastische Kunststoff erfüllt die notwendigen Kriechanforderungen.The fiber reinforcement of the spring wire is surrounded by a matrix material that has also penetrated between the reinforcement fibers. The known fiber materials of fiber composite lightweight construction are preferably used as the material for the fiber reinforcement. These are, for example, glass fibers, carbon fibers, metal fibers, rock fibers, natural fibers, etc. Thermosetting materials, preferably resin systems (epoxy resins, polyester resins, phenolic resins, etc.) are used as matrix materials. Thermoplastics are also conceivable if the requirements permit. For example, the spring is mainly in the unloaded state and is rarely loaded for a short time, or the thermoplastic meets the necessary creep requirements.
Als Federende wird die letzte Windung des Federdrahtes der Schraubenfeder bezeichnet. Der Übergangsbereich beginnt frühestens eine halbe Windung vor dem Beginn des Federendes. Bevorzugt beginnt der Übergangsbereich mit dem Federende, setzt also mit Beginn der letzten Windung ein. Der Übergangsbereich umfasst vorzugsweise eine Achtel, besonders bevorzugt eine Viertel Windung, kann jedoch auch die gesamte letzte Windung umfassen, so dass mit dem Ende des Federdrahtes die abschließende Querschnittsform des Federdrahtes erreicht wird. Besonders bevorzugt beginnt der Übergangsbereich innerhalb des Federendes, bevorzugt eine halbe Windung vor Ende des Federdrahts. Der Übergangsbereich umfasst vorzugsweise eine Achtel, besonders bevorzugt eine Viertel Windung, kann jedoch auch den gesamten verfügbaren Bereich an Windung zum Ende des Federdrahtes umfassen, so dass mit dem Ende des Federdrahtes die abschließende Querschnittsform des Federdrahtes erreicht wird. Der Übergangsbereich kann jedoch auch so beginnen, so dass mit dem Ende des Federdrahtes die abschließende Querschnittsform gerade erreicht wird ohne dabei Querschnittsänderungen einzubringen, die zu einer mechanischen Beeinträchigung der Feder führen. Es dürfen beispielsweise keine scharfkantigen Kerben mit Faserbrüchen im Übergangsbereich auftreten, wenn das die Funktionsweise der Feder gefährdet.The last turn of the spring wire of the coil spring is called the end of the spring. The transition area begins no earlier than half a turn before the beginning of the end of the spring. The transition region preferably begins with the end of the spring, that is to say it begins at the beginning of the last turn. The transition area preferably includes an eighth, particularly preferably a quarter of a turn, but can also include the entire last turn, so that the final cross-sectional shape of the spring wire is achieved with the end of the spring wire. The transition region particularly preferably begins within the end of the spring, preferably half a turn before the end of the spring wire. The transition area preferably includes an eighth, particularly preferably a quarter of a turn, but can also include the entire available range of turns to the end of the spring wire, so that the final cross-sectional shape of the spring wire is achieved with the end of the spring wire. However, the transition area can also begin in such a way that the final cross-sectional shape is just reached at the end of the spring wire without introducing cross-sectional changes that lead to a mechanical impairment of the spring. For example, there must be no sharp-edged notches with fiber breaks in the transition area if this endangers the functioning of the spring.
Die erfindungsgemäße Schraubenfeder weist an einem oder an beiden Enden eine von der Querschnittsform des Federdrahtes im Mittelteil Querschnittsfläche auf, wobei jedoch die Faserverstärkung in ihrer Faserzahl konstant bleibt. Dies wird bevorzugt mittels einer der nachfolgend beschriebenen drei Ausführungsformen realisiert.The helical spring according to the invention has at one end or at both ends a cross-sectional area that is the same as that of the spring wire in the central part, but the fiber reinforcement remains constant in terms of the number of fibers. This is preferably implemented using one of the three embodiments described below.
Vorzugsweise wird die Verteilung der Faserverstärkung und des Matrixmaterials in den Federenden gegenüber dem Mittelteil der Schraubenfeder so abgewandelt, dass die über dem Federende liegende Windung einen größeren Abstand erhält, als dies bei unverändertem Querschnitt und gleicher Steigungsverteilung der Federdrahtachse der Fall wäre und so ein längerer Einfederweg entsteht. Die Steigung der Schraubenfeder (Windungssteigung) bezeichnet die Komponente des räumlichen Gradienten der Federdrahtachse, welche in Richtung der Federlängsachse zeigt. Aufintegriert ergibt sich der Abstand der Federdrahtachse zu den jeweiligen Achsen der Nachbarwindungen in Federlängsrichtung. Die Federlängsachse kann die Form einer durchgängig geraden Linie, abschnittsweise linear entlang der Federlängsrichtung, krummlinig (bspw. bananenförmig) oder aus einer Kombination der voran genannten Möglichkeiten aufweisen.Preferably, the distribution of the fiber reinforcement and the matrix material in the spring ends is modified compared to the central part of the coil spring in such a way that the coil lying over the spring end is given a greater distance than would be the case with an unchanged cross section and the same gradient distribution of the spring wire axis, and thus a longer spring deflection arises. The pitch of the helical spring (winding pitch) designates the component of the spatial gradient of the spring wire axis, which points in the direction of the longitudinal axis of the spring. The distance between the spring wire axis and the respective axes of the adjacent coils in the longitudinal direction of the spring results when integrated. The longitudinal axis of the spring can be in the form of a continuously straight line, linear in sections along the longitudinal direction of the spring, curvilinear (e.g. banana-shaped) or of a combination of the aforementioned possibilities.
Die erste Ausführungsform sieht vor, dass der Inhalt der Querschnittsfläche des Federdrahtes über die gesamte Länge der Feder konstant ist. Dabei erfolgt der Übergang von der Querschnittsform des Federdrahtes im Mittelteil der Feder in einem Übergangsbereich in den Querschnitt des Federdrahtes am Endbereich des Federdrahtes in kontinuierlicher Weise. Dies beinhaltet den fließenden Übergang von der Querschnittsform im Federmittelteil in die Querschnittsform an dem Federende bzw. den Federenden. Insbesondere wird dies erreicht, indem die Faserverstärkung und das Matrixmaterial in dem Federdraht eine andere Verteilung aufweisen, als im Mittelteil der Feder. Die Federdrahtachse verschiebt sich dabei entsprechend, um der gleichbleibenden Geometrie der Federauflager Rechnung zu tragen. Dabei verformt sich auch der Kern aus seiner Querschnittsform im Mittelteil in die Querschnittsform am Federende. Bevorzugt verformt sich der Kern mathematisch ähnlich. Optional bleibt der Federkern im Übergangsbereich unverformt.The first embodiment provides that the content of the cross-sectional area of the spring wire is constant over the entire length of the spring. The transition from the cross-sectional shape of the spring wire in the central part of the spring takes place in a transition area in the cross-section of the spring wire in the end area of the spring wire in a continuous manner. This includes the smooth transition from the cross-sectional shape in the middle part of the spring to the cross-sectional shape at the spring end or ends. In particular, this is achieved in that the fiber reinforcement and the matrix material in the spring wire have a different distribution than in the central part of the spring. The spring wire axis shifts accordingly in order to take account of the constant geometry of the spring supports. The core also deforms from its cross-sectional shape in the central part to the cross-sectional shape at the spring end. The core preferably deforms in a mathematically similar manner. Optionally, the spring core remains undeformed in the transition area.
Werden die Querschnittsform im Mittelteil und im Endbereich übereinander gelegt, so dass die größtmögliche Überschneidung vorliegt, beträgt die nicht überschneidende Fläche der Querschnittsfläche des Endbereichs mindestens einen Wert von mindestens 2%, bevorzugt mindestens 5% und besonders bevorzugt mindestens 10% bezogen auf Gesamtquerschnittsfläche des Endbereichs. Die nicht überschneidende Fläche der Querschnittsfläche des Endbereichs beträgt maximal 70% bezogen auf die Gesamtquerschnittsfläche des Endbereichs, vorzugsweise maximal 60%.If the cross-sectional shape in the central part and in the end area is superimposed so that there is the greatest possible overlap, the non-overlapping area of the cross-sectional area of the end area is at least a value of at least 2%, preferably at least 5% and particularly preferably at least 10% based on the total cross-sectional area of the end area . The non-overlapping area of the cross-sectional area of the end region is at most 70% based on the total cross-sectional area of the end region, preferably at most 60%.
Die zweite Ausführungsform sieht vor, dass die Querschnittsfläche des Federdrahtes im Endbereich geringer ist, als im Mittelteil der Feder. Auch hier erfolgt der Übergang von der Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder in einem Übergangsbereich in die Querschnittsfläche des Federdrahtes am Endbereich des Federdrahtes in kontinuierlicher Weise. Kennzeichnend ist bei dieser Ausführungsform, dass das Faserverstärkungsmaterial im Endbereich identisch mit dem im Mittelteil der Feder und im Übergangsbereich ist. Dies betrifft Faserart, Faseranzahl und sämtliche weiteren, die Faserverstärkung kennzeichnenden Eigenschaften mit Ausnahme der Faserdichte im Matrixmaterial. Bevorzugt laufen sämtliche Endlosfasern durch den gesamten Federdraht. Im Endbereich liegen die Fasern lediglich näher beieinander und sind von weniger Matrixmaterial umgeben. Die Querschnittsfläche im Endbereich ist dabei kleiner als die Querschnittsfläche im Mittelbereich. Beispielsweise weist der Flächeninhalt der Querschnittsfläche im Endbereich einen um mindestens 2%, bevorzugt mindestens 4% und besonders bevorzugt mindestens 8% geringeren Wert auf bezogen auf die Querschnittsfläche im Mittelteil. Die Verringerung der Querschnittsfläche ist in der Art begrenzt, als dass ein maximaler Faservolumengehalt technisch nicht überschritten werden kann.The second embodiment provides that the cross-sectional area of the spring wire is smaller in the end area than in the central part of the spring. Here, too, the transition from the cross-sectional area of the spring wire in the central part of the spring takes place in a transition area into the cross-sectional area of the spring wire in the end area of the spring wire in a continuous manner. It is characteristic of this embodiment that the fiber reinforcement mat rial in the end area is identical to that in the middle part of the spring and in the transition area. This applies to the type of fiber, the number of fibers and all other properties that characterize fiber reinforcement, with the exception of the fiber density in the matrix material. All continuous fibers preferably run through the entire spring wire. In the end area, the fibers are just closer together and are surrounded by less matrix material. The cross-sectional area in the end area is smaller than the cross-sectional area in the middle area. For example, the surface area of the cross-sectional area in the end region is at least 2%, preferably at least 4% and particularly preferably at least 8% lower, based on the cross-sectional area in the central part. The reduction in cross-sectional area is limited in such a way that a maximum fiber volume content cannot technically be exceeded.
Als dritte Ausführungsform und Mischform der ersten und zweiten Ausführungsform ist ein Federende anzusehen, bei dem neben einer reduzierten Querschnittsfläche auch die Querschnittsform des Federendes gegenüber dem Mittelteil der Feder verändert ist. Auch hier ist ein Übergangsbereich vorgesehen, der Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche aus dem Mittelteil der Feder in einem fließenden Übergang in Querschnittsform und Fläche des Endbereichs überführt.A third embodiment and a combination of the first and second embodiments is a spring end in which, in addition to a reduced cross-sectional area, the cross-sectional shape of the spring end is also different compared to the central part of the spring. Here, too, a transition area is provided, which transforms the cross-sectional shape and/or cross-sectional area from the central part of the spring into a smooth transition into the cross-sectional shape and area of the end area.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die mit den oben genannten kombiniert werden kann, bleibt die Querschnittsform am Endbereich des Federdrahtes, anschließend an den Übergangsbereich, bevorzugt über ein Viertel, besonders bevorzugt über ein Drittel und ganz besonders bevorzugt über zwei Drittel der letzten Windung des Federdrahtes konstant.In a further preferred embodiment, which can be combined with those mentioned above, the cross-sectional shape at the end area of the spring wire, adjoining the transition area, remains preferably over a quarter, particularly preferably over a third and very particularly preferably over two thirds of the last turn of the spring wire constant.
Bevorzugt ist der Drahtquerschnitt der Schraubenfeder mindestens im Mittelbereich zwischen den beiden Federenden konstant. Das heißt an dieser Stelle, dass sowohl Querschnittsform als auch Querschnittsfläche, abgesehen von fertigungstechnisch bedingten Einflüssen (unterschiedliche Wickelspannung, Formkerntoleranzen etc.), unverändert bleiben.The wire cross section of the helical spring is preferably constant at least in the central area between the two spring ends. At this point, this means that both the cross-sectional shape and the cross-sectional area remain unchanged, apart from production-related influences (different winding tension, mandrel tolerances, etc.).
Erste AusführungsformFirst embodiment
In der ersten Ausführungsform wird die Querschnittsform des Federdrahtes an den Federenden vorzugsweise so abgewandelt, dass diese aus der Querschnittsform im Mittelteil der Feder in eine Querschnittsform im Endbereich des Federdrahtes übergeht, die einen geringeren Durchmesser des Federdrahtes in Längsrichtung der Feder oder eine Verteilung der Faserverstärkung und des Matrixmaterials derart, dass in Bewegungsrichtung der vorletzten Windung eine Auskehlung des Federdrahtes des Federendes erreicht wird. Weiterhin ist es möglich, dem Federdraht an den Federenden einen Querschnitt zu verleihen, der der Bewegung der vorletzten Windung weniger entgegensteht. Dies kann bspw. erreicht werden, indem der geometrische Schwerpunkt der Querschnittsform des Federdrahtes von der Längsachse der Feder aus gesehen radial nach innen oder nach außen verlagert wird. Kennzeichnend bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Federenden ist, dass der Flächeninhalt der Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder, im Übergangsbereich und auch im Endbereich des Federdrahtes gleichbleibt. Es ändert sich lediglich die Form der Querschnittsfläche.In the first embodiment, the cross-sectional shape of the spring wire at the spring ends is preferably modified in such a way that it changes from the cross-sectional shape in the central part of the spring to a cross-sectional shape in the end region of the spring wire, which results in a smaller diameter of the spring wire in the longitudinal direction of the spring or a distribution of the fiber reinforcement and of the matrix material in such a way that in the direction of movement of the penultimate turn, a groove of the spring wire of the spring end is achieved. Furthermore, it is possible to give the spring wire a cross-section at the spring ends which is less opposed to the movement of the penultimate turn. This can be achieved, for example, by shifting the geometric center of gravity of the cross-sectional shape of the spring wire radially inwards or outwards, as viewed from the longitudinal axis of the spring. A characteristic of the first embodiment of the spring ends according to the invention is that the surface area of the cross-sectional area of the spring wire remains the same in the central part of the spring, in the transition area and also in the end area of the spring wire. Only the shape of the cross-sectional area changes.
Insbesondere geht der Federdraht, der im Mittelteil der Feder vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist in einen ellipsenförmigen Querschnitt über, wobei die kleine Halbachse der Ellipse in Längsrichtung der Feder ausgerichtet ist. Eine andere Ausführungsform sieht einen Übergang in einen abgeflachten Querschnitt mit einer Auskehlung gegenüber der vorletzten Windung vor. Weiterhin bevorzugt ist ein unregelmäßiger Querschnitt, der eine Verschiebung der Wölbung des ursprünglich runden Querschnitts radial nach innen oder außen aufweist.In particular, the spring wire, which preferably has a circular cross-section in the middle part of the spring, transitions into an elliptical cross-section, with the semi-minor axis of the ellipse being aligned in the longitudinal direction of the spring. Another embodiment provides for a transition to a flattened cross-section with a groove opposite the penultimate turn. Also preferred is an irregular cross-section that exhibits a displacement of the curvature of the originally round cross-section radially inwards or outwards.
Diese veränderten Querschnittsformen am Federende gehen optional mit einer Abflachung des Federdrahtes in Richtung des Endes der Längsrichtung der Feder einher. Dies führt vorteilhaft zu einer vergrößerten Auflagefläche des Federendes im Federsitz.These changed cross-sectional shapes at the end of the spring are optionally accompanied by a flattening of the spring wire in the direction of the end of the longitudinal direction of the spring. This advantageously leads to an enlarged contact surface of the spring end in the spring seat.
Optional wird ein unregelmäßiger Querschnitt des Endbereichs des Federdrahtes, der eine Verschiebung der Wölbung des ursprünglich runden Querschnitts radial nach innen oder außen aufweist, mit einem Einziehen bzw. Ausstellen des Endbereichs des Federdrahtes kombiniert. Dabei wird der Endbereich des Federdrahtes eingezogen, wenn die Wölbung zur Längsachse der Feder gerichtet ist und ein Ausstellen erfolgt, wenn die Wölbung von der Längsachse der Feder weg gerichtet ist.Optionally, an irregular cross section of the end area of the spring wire, which has a radially inward or outward displacement of the curvature of the originally round cross section, is combined with a retraction or extension of the end area of the spring wire. The end area of the spring wire is pulled in when the curvature is directed towards the longitudinal axis of the spring and is deployed when the curvature is directed away from the longitudinal axis of the spring.
Zweite AusführungsformSecond embodiment
In der zweiten Ausführungsform wird die Querschnittsfläche des Federdrahtes an den Federenden vorzugsweise so abgewandelt, dass diese aus der Querschnittsfläche im Mittelteil der Feder in eine geringere Querschnittsfläche im Endbereich des Federdrahtes übergeht.In the second embodiment, the cross-sectional area of the spring wire at the spring ends is preferably modified in such a way that it changes from the cross-sectional area in the central part of the spring to a smaller cross-sectional area in the end area of the spring wire.
Kennzeichnend bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Federenden ist, dass im Übergangsbereich die Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder, die einen ersten Flächeninhalt aufweist, in eine Querschnittsfläche im Endbereich des Federdrahtes, die einen zweiten, gegenüber dem ersten Flächeninhalt geringeren Flächeninhalt aufweist, übergeht. Vorzugsweise bleibt die Querschnittsform jedoch unverändert, also im mathematischen Sinne, geometrisch-ähnlich. Dies bedeutet, dass eine Querschnittsfläche im Mittelteil, eine Querschnittsfläche im Übergangsbereich und eine Querschnittsfläche im Endbereich im mathematischen Sinn geometrisch-ähnlich zueinander sind. Dies ist gegeben, wenn die Querschnittsflächen durch eine geometrische Ähnlichkeitsabbildung ineinander überführt werden können. Das heißt, es gibt eine geometrische Abbildung, die sich aus zentrischen Streckungen und Kongruenzabbildungen (also Verschiebungen, Drehungen, Spiegelungen) zusammensetzen lässt und die eine Querschnittsfläche auf die andere abbildet. Bspw. hat der Federdraht somit einen kreisförmiger Querschnitt im Mittelteil, im Übergangsbereich und im Endbereich. Es ändert sich lediglich der Flächeneinhalt der Querschnittsfläche. Dies wird vorzugsweise erreicht, indem die Faserverstärkung aus dem Mittelteil ohne Unterbrechung durch den Übergangsbereich in den Endbereich des Federdrahtes geführt wird. Dabei ist im Endbereich jedoch weniger Matrixmaterial enthalten. Die Faserdichte (Faservolumengehalt) nimmt somit aus dem Mittelteil durch den Übergangsbereich in den Endbereich zu. Der Endbereich weist dann eine höhere Faserdichte (Faservolumengehalt) als der Mittelteil und der Übergangsbereich auf. Der Wert des Faservolumengehalts des Endbereichs liegt beispielsweise um 10% über dem Wert des Faservolumengehalts aus dem Mittelteil. Er kann jedoch auch andere Differenzen mit einem Wert größer Null annehmen und der Faservolumengehalt des Endbereichs kann bis knapp unter das theoretische Maximum von 80% erhöht sein. Durch die reduzierte Querschnittsfläche des Federdrahtes entsteht so im Endbereich der Feder ein vergrößerter Einfederweg.A characteristic of the second embodiment of the spring ends according to the invention is that in the transition area the cross-sectional area of the spring wire in the central part of the spring, which has a first surface area, transitions into a cross-sectional area in the end region of the spring wire, which has a second surface area that is smaller than the first surface area. However, the cross-sectional shape preferably remains unchanged, ie, geometrically similar in the mathematical sense. This means that a cross-sectional area in the central part, a cross-sectional area in the transition area and a cross-sectional area in the end area are geometrically similar to one another in a mathematical sense. This is the case if the cross-sectional areas can be converted into one another by means of a geometric similarity mapping. This means that there is a geometric mapping that can be composed of centric stretching and congruence mappings (i.e. displacements, rotations, reflections) and that maps one cross-sectional area onto the other. For example, the spring wire thus has a circular cross-section in the central part, in the transition area and in the end area. Only the area of the cross-sectional area changes. This is preferably achieved by guiding the fiber reinforcement from the middle part without interruption through the transition area into the end area of the spring wire. However, less matrix material is contained in the end area. The fiber density (fiber volume content) thus increases from the central part through the transition area to the end area. The end area then has a higher fiber density (fiber volume content) than the middle part and the transition area. The value of the fiber volume content of the end area is, for example, 10% higher than the value of the fiber volume content of the middle part. However, it can also assume other differences with a value greater than zero and the fiber volume content of the end region can be increased to just under the theoretical maximum of 80%. The reduced cross-sectional area of the spring wire results in an increased spring deflection in the end area of the spring.
Dritte AusführungsformThird embodiment
Die dritte Ausführungsform ist eine Kombination der ersten und der zweiten Ausführungsform. Die Querschnittsform und auch die Querschnittsfläche ändern sich von dem Mittelteil der Feder über den Übergangsabschnitt zum Endbereich. Insbesondere nimmt die Querschnittsfläche durch Erhöhung des Faservolumengehaltes des Federdrahtes ab, d.h. das Faserverstärkungsmaterial erstreckt sich bei abnehmendem Matrixmaterialgehalt ohne Unterbrechung aus dem Mittelteil der Feder durch den Übergangsbereich in den Endbereich. Dabei kommt lediglich weniger Matrixmaterial zum Einsatz während das Faserverstärkungsmaterial in seiner Verteilung verändert wird. Durch die reduzierte Querschnittsfläche des Federdrahtes entsteht so im Endbereich der Feder ein vergrößerter Einfederweg. Parallel zur Reduzierung der Querschnittsfläche wird auch die Querschnittsform so angepasst, dass der entstehende Einfederweg analog zur ersten Ausführungsform weiter vergrößert wird.The third embodiment is a combination of the first and second embodiments. The cross-sectional shape and also the cross-sectional area change from the central part of the spring via the transition section to the end area. In particular, the cross-sectional area decreases as the fiber volume content of the spring wire increases, i.e. the fiber reinforcement material extends uninterruptedly from the central part of the spring through the transition region into the end region as the matrix material content decreases. Only less matrix material is used while the distribution of the fiber reinforcement material is changed. The reduced cross-sectional area of the spring wire results in an increased spring deflection in the end area of the spring. Parallel to the reduction in the cross-sectional area, the cross-sectional shape is also adapted in such a way that the compression travel that occurs is further increased analogously to the first embodiment.
Optional können auch die zweite und die dritte Ausführungsform mit einem Einziehen bzw. Ausstellen des Endbereichs des Federdrahtes kombiniert werden.Optionally, the second and the third embodiment can also be combined with a retraction or extension of the end area of the spring wire.
Optional ist der Federdraht vollständig oder abschnittsweise von einer Hülle umgeben. Diese kann lösbar oder unlösbar auf der Oberfläche des konsolidierten Federdrahtes angeordnet sein. Die Hülle besteht vorzugsweise aus einem Elastomer (bspw. Silikon), thermoplastischen Elastomer (bspw. TPU (Thermoplastisches Polyurethan)) oder einem thermoplastischen Kunststoffmaterial (bspw. PA (Polyamid) oder Teflon). Die Hülle kann als Teil des Herstellungsverfahrens auf dem Federdraht ausgebildet werden oder nachträglich, zum Schutz von dessen Oberfläche, aufgebracht werden.Optionally, the spring wire is completely or partially surrounded by a sheath. This can be arranged detachably or permanently on the surface of the consolidated spring wire. The shell preferably consists of an elastomer (e.g. silicone), thermoplastic elastomer (e.g. TPU (thermoplastic polyurethane)) or a thermoplastic synthetic material (e.g. PA (polyamide) or Teflon). The sheath may be formed on the spring wire as part of the manufacturing process or may be post applied to protect the surface thereof.
Da die Tragfähigkeit der Feder im Wesentlichen von den Verstärkungsfasern bestimmt wird, und bei der erfindungsgemäßen Schraubenfeder in allen drei Ausführungsformen lediglich die Verteilung der Fasern und des Matrixmaterials und nicht der durchgehender Verlauf oder Länge oder Anzahl der Fasern verändert werden, bleibt die Tragfähigkeit der Feder über die gesamte Länge im Wesentlichen konstant.Since the load-bearing capacity of the spring is essentially determined by the reinforcing fibers, and in all three embodiments of the coil spring according to the invention only the distribution of the fibers and the matrix material and not the continuous course or length or number of fibers are changed, the load-bearing capacity of the spring remains the entire length essentially constant.
In Ausführungsformen der Schraubenfeder ist ein erstes Federende der Schraubenfeder nach einer ersten Variante der bisher beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet und ein zweites Federende der Schraubenfeder ist nach einer zweiten Variante der der bisher beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet. Dabei können sich die erste und die zweite Variante hinsichtlich der genutzten Ausführungsform voneinander unterscheiden oder die erste und die zweite Variante gehören zwar zur selben der bisher beschriebenen Ausführungsformen, unterscheiden sich jedoch in der Querschnittsform der beiden Federenden und/oder in der Querschnittsfläche der beiden Federenden. Damit sind zwar beide Federenden gegenüber dem Federdraht im Mittelteil verformt, jedoch unterschiedlich.In embodiments of the helical spring, a first spring end of the helical spring is designed according to a first variant of the previously described embodiments and a second spring end of the helical spring is designed according to a second variant of the previously described embodiments. The first and the second variant can differ from one another in terms of the embodiment used, or the first and the second variant belong to the same embodiment described so far, but differ in the cross-sectional shape of the two spring ends and/or in the cross-sectional area of the two spring ends. Both ends of the spring are thus deformed in relation to the spring wire in the central part, but differently.
Zur Herstellung von Schraubenfedern aus faserverstärktem Material sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt. So schlägt die
Die
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht in seinen Grundzügen auf den aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen. Erfindungswesentlich ist jedoch die abweichende Gestaltung der Federenden.The basic features of the method according to the invention are based on the procedures known from the prior art. However, the different design of the spring ends is essential to the invention.
Das Verfahren sieht vor, dass der Federdraht im unkonsolidierten Zustand auf einen zylindrischen Formkern aufgewickelt wird. Dieser Formkern weist optional eine helixartig um den Formkern verlaufende Nut auf, in die der Federdraht eingelegt wird. Die Faserverstärkung des Federdrahtes ist dabei trocken oder bereits mit Harz getränkt.The method provides that the spring wire is wound onto a cylindrical mandrel in the unconsolidated state. This mandrel optionally has a helical groove running around the mandrel, into which the spring wire is inserted. The fiber reinforcement of the spring wire is dry or already impregnated with resin.
Optional ist eine Außenform vorgesehen, die den Formkern mit dem in die Nut eingelegten Federdraht umgibt. Der Formkern und/oder die Form ist beheizbar. Wenn die Faserverstärkung des Federdrahtes noch nicht bzw. nicht ausreichend mit Harz getränkt ist, wird dies nun durch Einleiten von Harz in die Nut durchgeführt.Optionally, an outer mold is provided, which surrounds the mold core with the spring wire inserted into the groove. The mold core and/or the mold can be heated. If the fiber reinforcement of the spring wire is not yet or not sufficiently soaked with resin, this is done by introducing resin into the groove.
Durch Beheizen der Form bzw. des Formkernes oder von beiden kann das Harz des Federdrahtes nun vollständig oder teilweise ausgehärtet werden. Bei einer vollständigen Aushärtung erfolgt die Anpassung der Querschnittsform und/oder der Querschnittsfläche der Federenden vor dem Aushärten. Vorzugsweise ist dazu ein spezielles Formwerkzeug der Federenden, das den Übergangsbereich und das Ende des Federdrahtes in die gewünschte Form bringt und dann erst aushärtet (Beheizung) vorgesehen. Dies führt, bei entsprechender Form des Formwerkzeugs zu einer Querschnittsformveränderung und/oder zu einer Reduzierung der Querschnittsfläche unter Beibehaltung aller Faserverläufe aus dem Mittelteil der Feder. Die Änderung der Querschnittsfläche, oder genauer des Inhaltes der Querschnittsfläche erfolgt, indem durch die Form oder durch ein spezielles Formwerkzeug, das an den Enden des unkonsolidierten Federdrahtes angreift, unkonsolidiertes Matrixmaterial aus dem Verstärkungsfasermaterial herausgepresst wird.The resin of the spring wire can now be fully or partially cured by heating the mold or the mold core or both. In the case of a complete curing, the adaptation of the cross-sectional shape and/or the cross-sectional area of the spring ends takes place before curing. A special forming tool for the spring ends is preferably provided for this purpose, which brings the transition area and the end of the spring wire into the desired shape and only then hardens (heating). With a corresponding shape of the mold, this leads to a change in cross-sectional shape and/or to a reduction in the cross-sectional area while maintaining all fiber orientations from the central part of the spring. The change in the cross-sectional area, or more precisely the content of the cross-sectional area, takes place in that unconsolidated matrix material is pressed out of the reinforcing fiber material through the mold or through a special shaping tool that acts on the ends of the unconsolidated spring wire.
Vorzugsweise ist das spezielle Formwerkzeug Teil des Formkernes und/oder der diesen umgebenden Form. So ist es bevorzugt, die Querschnittsflächenänderung bzw. The special mold is preferably part of the mold core and/or the mold surrounding it. It is therefore preferable to use the change in cross-sectional area or
Querschnittsformänderung vom Querschnitt in der Federmitte zwischen den Federenden, den Übergangsbereich und die Querschnittsform/-fläche des Endes des Federdrahtes in einem Verfahrensschritt herzustellen. Diese Vorgehensweise ist jedoch weniger geeignet, wenn die Querschnittsform des Endes des Federdrahtes eine hinterschnittige Ausgestaltung innerhalb der Form bzw. des Kerns beinhaltet.Produce cross-sectional shape change from the cross-section in the middle of the spring between the spring ends, the transition region and the cross-sectional shape/area of the end of the spring wire in one process step. However, this approach is less suitable when the cross-sectional shape of the end of the spring wire includes an undercut configuration within the mold or core.
Eine alternative Vorgehensweise sieht vor, dass bei einer vollständigen Aushärtung die Federenden ausgenommen sind. Diese werden maximal bis über den Gelpunkt erhärtet. Nach dem Entnehmen der Feder aus der Form bzw. dem Entformen vom Formkern werden die Federenden mit einem speziellen Formwerkzeug, bspw. einem Presswerkzeug, dass den Übergangsbereich und den Endbereich des Federdrahtes in die gewünschte Querschnittsform bringt, behandelt. Dazu kann das Werkzeug beheizbar sein. Durch Erwärmen über die Glastemperatur wird der Federdraht erneut plastisch verformbar. Weiteres Erwärmen führt dann zum vollständigen Konsolidieren des Matrixmaterials. Diese Vorgehensweise ist für die Herstellung von Federn nach der ersten Ausführungsform geeignet. In Kombination mit einer vorhergehenden Querschnittsverringerung mittels eines speziellen Formwerkzeugs ist sie auch für die dritte Ausführungsform anwendbar.An alternative procedure provides that the spring ends are excluded in the case of complete curing. These are hardened at most to above the gel point. After the spring has been removed from the mold or removed from the mold core, the spring ends are treated with a special mold, e.g. a pressing tool, which brings the transition area and the end area of the spring wire into the desired cross-sectional shape. For this purpose, the tool can be heatable. By heating above the glass transition temperature, the spring wire becomes plastically deformable again. Further heating then leads to the complete consolidation of the matrix material. This procedure is suitable for the production of springs according to the first embodiment. In combination with a previous cross-sectional reduction using a special mold, it can also be used for the third embodiment.
Eine weitere bevorzugte Vorgehensweise ist besonders zur Herstellung der ersten Ausführungsform geeignet. Sie sieht vor, die Faserverstärkung des Federdrahtes mit einem Schlauch zu umhüllen. In diesen Schlauch wird dann Matrixmaterial in unkonsolidiertem Zustand eingeleitet. Anschließend erfolgt eine Vernetzung (bspw. durch Erwärmung) des Matrixmaterials bis über den Gelpunkt des Matrixmaterials. Nunmehr kann der Schlauch entfernt werden oder auf dem vorgeformten Federdraht verbleiben und anschließend Teil der Feder werden. Anschließend kann der Federdrahtüber die Glasübergangstemperatur erwärmt und in die gewünschte Schraubenform gebracht werden. Dies erfolgt bevorzugt durch Aufwinden auf einen beheizbaren Formkern. In diesem Arbeitsschritt können auch die Federenden umgeformt werden. Dazu können geeignete Formwerkzeuge, z.B. Klemmvorrichtungen, genutzt werden. Durch weiteres Erwärmen wird das Matrixmaterial vollständig ausgehärtet.A further preferred procedure is particularly suitable for the production of the first embodiment. It provides for encasing the fiber reinforcement of the spring wire with a hose. Matrix material is then fed into this tube in an unconsolidated state. The matrix material is then crosslinked (e.g. by heating) to above the gel point of the matrix material. The hose can now be removed or left on the preformed spring wire and then become part of the spring. The spring wire can then be heated above the glass transition temperature and brought into the desired helical shape. This is preferably done by winding onto a heatable mandrel. The ends of the springs can also be formed in this step. Suitable molds, e.g. clamping devices, can be used for this. The matrix material is fully cured by further heating.
Eine weitere alternative Vorgehensweise beinhaltet, dass der Federdraht, genauer gesagt, die Faserverstärkung des Federdrahtes, im unkonsolidierten Zustand abgelängt wird. Anschließend wird die Faserverstärkung des Federdrahtes mit Harz getränkt und an den Enden in Klemmvorrichtungen eingespannt. Diese Klemmvorrichtungen wirken optional als spezielle Formwerkzeuge zur Verringerung der Querschnittsfläche im Endbereich. Anschließend erfolgt das Aufwickeln auf einen zylindrischen Formkern, der optional eine Nut zur Führung des Federdrahtes aufweist. Optional wird der Formkern mit aufgewickeltem Federdraht in eine Form eingelegt, die auch beheizbar sein kann. Die Klemmvorrichtungen umfassen mindestens den Übergangsbereich des Federdrahtes und das Federende. Durch Beheizen des Formkernes und der Klemmvorrichtungen und optional der Form wird das Matrixmaterial ausgehärtet und die Schraubenfeder konsolidiert. Abschließend werden Klemmvorrichtungen und Formkern und optional auch die Form entfernt. Die Klemmvorrichtungen können zweiteilig oder auch mehrteilig ausgeführt werden.A further alternative procedure involves cutting the spring wire, more precisely the fiber reinforcement of the spring wire, in the unconsolidated state. The fiber reinforcement of the spring wire is then soaked in resin and clamped at the ends in clamping devices. Optionally, these clamping devices act as special shaping tools to reduce the cross-sectional area in the end region. This is followed by winding onto a cylindrical mandrel, which optionally has a groove for guiding the spring wire. Optionally, the mold core with coiled spring wire is placed in a mold that can also be heated. The clamping devices comprise at least the transition area of the spring wire and the end of the spring. By heating the mold core and the clamping devices and optionally the mold, the matrix material is hardened and the coil spring is consolidated. Finally, the clamping devices and mold core and optionally also the mold are removed. The clamping devices can be designed in two parts or in several parts.
Eine weitere bevorzugte Vorgehensweise sieht vor, dass die mit Harz getränkte Faserverstärkung des Federdrahtes im unkonsolidierten Zustand in einer flexiblen Hülle angeordnet ist. Diese besteht bspw. aus einem thermoplastischen Material oder Silikon. Anschließend wird der unkonsolidierte Federdraht nach einem der vorgenannten Verfahren auf einen beheizbaren Formkern mit optionaler Nut und optionaler Außenform aufgebracht und wie oben dargestellt konsolidiert bzw. teilkonsolidiert. Die Ausführung der Federenden kann ebenfalls nach einer der oben dargestellten Verfahrensweisen erfolgen. Nach dem Konsolideren kann die Hülle als Oberflächenschutz auf der Feder verbleiben oder, falls sie keine Verbindung mit dem Matrixmaterial eingeht (bspw. Teflonhülle oder Silikonhülle) abgezogen werden. Bei Federenden, die eine Verringerung der Querschnittsfläche aufweisen, kann die Hülle optional aufgetrennt und dann entfernt werden. Weitere bevorzugte Vorgehensweisen sehen mehrteilige Hüllen vor, wobei die Hülle im Mittelteil einen konstanten Querschnitt aufweist und für die Übergangs- und Endbereiche jeweils angepasste Hüllen möglich sind. Diese können bspw. konisch in Richtung der Enden ausgeführt sein, um so einer Querschnittsflächenverringerung des Federdrahtes im Endbereich zu folgen.A further preferred procedure provides that the fiber reinforcement of the spring wire impregnated with resin is arranged in a flexible sheath in the unconsolidated state. This consists, for example, of a thermoplastic material or silicone. The unconsolidated spring wire is then applied to a heatable mold core with an optional groove and optional outer shape using one of the aforementioned methods and consolidated or partially consolidated as shown above. The design of the spring ends can also be carried out according to one of the procedures described above. After consolidation, the sleeve can remain on the spring as surface protection or, if it does not bond with the matrix material (e.g. Teflon sleeve or silicone sleeve), it can be removed. For spring ends that exhibit a reduction in cross-sectional area, the sleeve can optionally be severed and then removed. Further preferred procedures provide for multi-part casings, with the casing having a constant cross-section in the central part and casings adapted in each case for the transition and end regions. These can, for example, be tapered in the direction of the ends in order to follow a reduction in the cross-sectional area of the spring wire in the end region.
Optional kann als Umhüllung des Übergangs- und des Endbereichs Schrumpfschlauch eingesetzt werden.Optionally, shrink tubing can be used to cover the transition and end areas.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schraubenfeder enthält mindestens ein Formwerkzeug, das in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist, in welchen ein zu verformender Endbereich oder ein zu verformender Endbereich und ein zu verformender Übergangsbereich des zumindestens in diesen Bereichen unkonsolidierten Federdrahtes einlegbar ist, wobei der Hohlraum die angestrebte Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche des Endbereiches oder des Endbereiches und des Übergangsbereiches abbildet. Damit wird der Endbereich des Federdrahtes oder der Endbereich und der Übergangsbereich des Federdrahtes wie gewünscht und oben beschrieben umgeformt.A device according to the invention for producing a helical spring according to the invention contains at least one molding tool, which has a cavity in its interior, into which an end region to be deformed or an end region to be deformed and a transition region to be deformed of the spring wire, which is unconsolidated at least in these regions, can be inserted, the cavity depicts the desired cross-sectional shape and/or cross-sectional area of the end region or of the end region and the transition region. The end area of the spring wire or the end area and the transition area of the spring wire is thus formed as desired and as described above.
Vorzugsweise weist das Formwerkzeug eine Temperiervorrichtung zum Beheizen oder Abkühlen des Formwerkzeuges auf, so dass das Material des Federdrahtes innerhalb des Formwerkzeuges erwärmt und ggf. konsolidiert und/oder wieder abgekühlt werden kann.The mold preferably has a temperature control device for heating or cooling the mold, so that the material of the spring wire can be heated inside the mold and, if necessary, consolidated and/or cooled again.
Das Formwerkzeug weist vorzugsweise zum leichteren Einlegen der umzuformenden Federdrahtbereiche in den Hohlraum sowie zum leichteren Entformen der umgeformten Federdrahtbereiche eine zwei- oder mehrteilige Bauform auf.The mold preferably has a two-part or multi-part design for easier insertion of the spring wire areas to be deformed into the cavity and for easier demolding of the deformed spring wire areas.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.The invention is not limited to the illustrated and described embodiments, but also includes all embodiments that have the same effect within the meaning of the invention. Furthermore, the invention is not limited to the combinations of features specifically described, but can also be defined by any other combination of specific features of all individual features disclosed overall, provided that the individual features are not mutually exclusive, or a specific combination of individual features is not explicitly excluded.
Figurenlistecharacter list
-
1a zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform 100 der erfindungsgemäßen Feder. Das eine Federende weist einen Übergangsbereich B und einen Endbereich E auf. Das andere Federende bleibt bei gleicher Auflagergeometrie unverformt.1a shows a schematic sectional view of afirst embodiment 100 of the spring according to the invention. One end of the spring has a transition region B and an end region E. The other end of the spring remains undeformed with the same support geometry. -
1b bis1d zeigen schematisch den inneren Aufbau verschiedener Ausführungsformen des die Feder bildenden Federdrahtes. In einer ersten Ausführungsform 10 des Federdrahtes, dargestellt in1b , umhüllt eine Hülle 11, bspw. aus Silikon, mehrere Faserlagen 12, die um einen Kern 13 gewickelt oder geflochten sind. Der Kern 13 besteht ebenfalls aus Fasermaterial, in dem die Fasern unidirektional parallel nebeneinander angeordnet oder miteinander leicht verdrillt vorliegen. Zumindest im konsolidierten Zustand liegt im Bereich der Faserlagen 12 und des Kerns 13 neben den Fasern Matrixmaterial vor. Das Matrixmaterial kann auch bereits im unkonsolidierten Zustand im Federdraht 10 enthalten sein.1b until1d show schematically the internal structure of various embodiments of the spring wire forming the spring. In afirst embodiment 10 of the spring wire, shown in1b , asheath 11, e.g. The core 13 also consists of fiber material in which the fibers are arranged unidirectionally parallel to one another or are slightly twisted with one another. At least in the consolidated state is in the area of the fiber layers 12 and the core 13 next to the Fibers before matrix material. The matrix material can also already be contained in thespring wire 10 in the unconsolidated state.
In einer anderen Ausführungsform kann der Kern auch nur aus Kunststoff, bspw. Matrixmaterial, bestehen und keine Fasern aufweisen. Darüber hinaus ist die Hülle 11 nur optional vorhanden.In another embodiment, the core can also consist only of plastic, for example matrix material, and have no fibers. In addition, the
So zeigt bspw. die
Wenn im Folgenden keine konkreten Aussagen über den Aufbau des Federdrahtes gemacht sind, so kann der Federdraht entsprechend jeder der hier aufgeführten Ausführungsformen ausgebildet sein.If no specific statements are made below about the structure of the spring wire, the spring wire can be designed according to any of the embodiments listed here.
In
In
In
In
In
Die Formen der Endbereiche der letzten Windungen 1 in den Figuren
In
In
Die
Die
Die
Die
Ausführungsbeispieleexemplary embodiments
In einem ersten Ausführungsbeispiel (
Im zweiten Ausführungsbeispiel (
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- letzte Windung der Federlast coil of the spring
- 10, 10', 10"10, 10', 10"
- Federdrahtspring wire
- 1111
- Hülle der letzten Windung um den FederdrahtWrap the last turn around the spring wire
- 1212
- Faserlagenfiber layers
- 1313
- Kerncore
- 13'13'
- Hohlraumcavity
- 1414
- Schlauchkerntube core
- 1515
- Verstärkungsfasern der letzten Windung des FederdrahtesReinforcement fibers of the last turn of the spring wire
- 1616
- Matrixmaterial der letzten Windung des FederdrahtesMatrix material of the last turn of the spring wire
- 22
- vorletzte Windung der Feder vor dem Federendepenultimate turn of the spring before the end of the spring
- 2121
- Hülle der vorletzten Windung um den FederdrahtWrap the penultimate turn around the spring wire
- 2525
- Verstärkungsfasern der vorletzten Windung des FederdrahtesReinforcement fibers of the penultimate turn of the spring wire
- 2626
- Matrixmaterial der vorletzten Windung des FederdrahtesMatrix material of the penultimate turn of the spring wire
- 100, 100'100, 100'
- Schraubenfedercoil spring
- 210, 220, 230210, 220, 230
- Formwerkzeugmolding tool
- 211211
- oberer Teil des Formwerkzeugsupper part of the mold
- 212212
- unterer Teil des Formwerkzeugslower part of the mold
- 221, 231221, 231
- Außenteil des Formwerkzeugsouter part of the mold
- 222, 232222, 232
- Innenteil des FormwerkzeugsInner part of the mold
- 213, 214, 223, 224, 233, 234213, 214, 223, 224, 233, 234
- Vertiefung im FormwerkzeugDeepening in the mold
- 235235
- Kavität im Formwerkzeug cavity in the mold
- Abstand zwischen zwei Windungen im Mittelteil der FederDistance between two coils in the central part of the spring
- qx, qy, q1 ... q11qx,qy,q1...q11
- Abstand zwischen letzter Windung und vorletzter Windung des FederdrahtesDistance between the last coil and the penultimate coil of the spring wire
- A0A0
- Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der FederCross-sectional area of the spring wire in the central part of the spring
- A1A1
- Querschnittsfläche des Federdrahtes des Endbereichs des FederdrahtesCross-sectional area of the spring wire of the end portion of the spring wire
- A11A11
- unterer Teil von A1lower part of A1
- A12A12
- oberer Teil von A1upper part of A1
- A13A13
- innerer Teil von A1inner part of A1
- A14A14
- äußerer Teil von A1outer part of A1
- BB
- Übergangsbereich des Federdrahtes (gestrichelter Kasten)Transition area of the spring wire (dashed box)
- di.e
- Durchmesser des Federdrahtes im Mittelteil der FederDiameter of the spring wire in the middle part of the spring
- Ff
- Federdrahtachsespring wire axle
- EE
- Endbereich des Federdrahtes (gestrichelter Kasten)End area of the spring wire (dashed box)
- hH
- Länge der Federlength of the spring
- LL
- Federlängsachsespring longitudinal axis
- XX
- Durchmesser der Federdiameter of the spring
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