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Die Erfindung betrifft eine Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Blattfedern werden üblicherweise für Radaufhängungen an einem Fahrzeug verwendet, um dieses gegen unebene Gelände- bzw. Fahrwegbeschaffenheiten abzufedern. Solche Fahrzeuge können insbesondere Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und andere Nutzfahrzeuge, aber auch Schienenfahrzeuge und dergleichen sein.
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Seit langern bekannt sind Blattfedern aus Stahl. Bei diesen sind einzelne, schmale Stahlbleche mit kleiner werdenden Längen übereinander gelegt, um eine variable Federkonstante bei zunehmender Belastung zu erreichen. Durch Klammerungen und/oder Schraubverbindungen sind die Bleche der Blattfedern zu einem Paket verbunden. Bei der Montage einer Blattfeder in einem Kraftfahrzeug erfolgt diese beispielsweise quer zur Fahrtrichtung, wobei der mittlere Bereich derselben an der Fahrtzeugkarosserie festgelegt ist, während die beiden axialen Enden der Blattfeder im Bereich der Aufhängung des rechten bzw. des linken Fahrzeugrades angeordnet sind. Wenngleich eine metallische Blattfeder vergleichsweise kostengünstig herstellbar und zuverlässig im Betrieb ist, so ist eine solche jedoch nachteilig schwer, welches zu einem relativ hohen Fahrzeuggewicht beiträgt und damit letztlich einen erhöhten Kraftstoffverbrauch verursacht.
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Bekannt sind auch Blattfedern aus Faserverbundmaterialien, welche beispielsweise aus mit Kunstharz getränkten Glas- oder Kohlenstofffasern gebildet sind und bei gleicher Größe sowie vergleichbaren Federeigenschaften erheblich weniger Gewicht aufweisen als Stahl-Blattfedern. Solche Faserverbund-Blattfedern werden beispielsweise aus einzelnen harzgetränkten Faserlagen hergestellt, die unter dem Begriff „Prepreg” bekannt sind. Diese Prepregs werden in der gewünschten Gestalt gefertigt und/oder zugeschnitten und übereinander in eine Pressform eingelegt, die den Abmessungen der Blattfeder entspricht. Anschließend wird die Roh-Blattfeder in der Pressform unter Einwirkung von Druck und Wärme ausgehärtet.
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Aus der
DE 102 21 589 A1 ist eine Blattfeder aus einem Faserverbundmaterial bekannt, die einstückig aus einem zentralen Bogenabschnitt und endseitig aus peripheren Abschnitten besteht. Die peripheren Abschnitte besitzen an ihrem jeweiligen axialen Ende eine Öse mit einer Öffnung zur Aufnahme eines Bolzens zum Zwecke der Befestigung der Blattfeder am Fahrzeugchassis. Nachteilig hierbei ist die Einbringung der Befestigungsöse in die Blattfeder, die nur durch eine konstruktiv aufwendige Pressform oder durch einen die Fasern durchtrennenden Stanzvorgang zu realisieren ist.
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Bei anderen Blattfederkonstruktionen aus Faserverbundwerkstoffen sind die Endabschnitte angeschrägt. Dabei wird der jeweilige Endabschnitt nach dem Aushärten der Blattfeder der angeschrägten Form entsprechend zurechtgeschnitten. Dies hat zur Folge, dass auch die Fasern des Werkstoffes angeschnitten werden. Die Schnittstellen führen bei Dauerwechselbelastungen der Blattfeder häufig zu Rissen, die von den Schnittstellen ausgehen und im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung der Fasern verlaufen. Diese Risse wiederum können zum Bruch der Blattfeder führen.
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Aus der
EP 0 093 707 B1 beziehungsweise der dazu parallelen
US 4,557,500 B1 ist eine Blattfeder aus einem Faserverbundmaterial bekannt, die an ihren axialen Enden schmaler und dicker als in einem zentralen, rechteckigen Abschnitt ausgebildet ist. Der Bereich der axialen Enden der Blattfeder kann in Draufsicht dabei etwa trapezförmig ausgebildet sein. Die Fläche von rechtwinkligen Querschnitten der Blattfeder von einem Federende bis zu dem anderen Federende kann gemäß einer anderen Variante konstant sein. Bei einer anderen Bauart dieser Blattfeder sind die Verbundfasern von einem bis zum anderen axialen Ende ungeschnitten. Die Geometrie der Blattfeder wird während deren Herstellung durch Pressformen erzeugt.
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Außerdem ist aus der
DE 10 2004 010 768 A1 der Anmelderin eine Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem zentralen Längsabschnitt und axialen Enden für eine Radaufhängung an einem Fahrzeug bekannt, bei der die axialen Enden hinsichtlich der Blattfederbreite sich verjüngend ausgebildet sind, und bei der axial ausgerichtete Fasern des Faserverbundwerkstoffs ungekürzt bis zur Abschlusskante der Blattfeder geführt sind. Außerdem ist bei dieser Blattfeder vorgesehen, dass sie aus harzgetränkten Faserlagen aufgebaut ist, die bei der Herstellung der Blattfeder an ihren axialen Enden in einer Draufsicht eine V-förmige Geometrie bzw. einen V-förmigen Einschnitt aufweisen und somit jeweils zwei quer zur Längserstreckung der Blattfeder ausgebildete Schenkel bilden. Diese beiden Schenkel werden im Herstellprozess eng aneinandergelegt und ausgehärtet, so dass die fertig gestellte Blattfeder im Bereich ihrer Enden etwa trapezförmig ausgebildet ist und keine Materialaufdickung in diesem Bereich aufweist.
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Aus dieser Druckschrift ist zudem bekannt, dass die Blattfeder in ihrem zentralen Bereich durch geometrisch einfache, rechteckige Faserlagen hinsichtlich deren Bauteildicke verstärkt werden kann, während zur Ausbildung der V-förmigen axialen Enden der Blattfeder entsprechend ausgebildete und über die gesamte Bauteillänge geführte Faserlagen verwendet werden.
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Eine Blattfeder gemäß der
DE 10 2004 010 768 A1 ist mit einigen Vorteilen verbunden, da diese über beinahe ihre gesamt Länge im Wesentlichen konstante Querschnittsflächen sowie eine konstante Dicke mit am axialen Ende verringerter Breite aufweist, ohne dass dieselbe an ihren axialen Enden beschnitten werden muss.
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Bei bauteilkundlichen Untersuchungen an bekannten Blattfedern aus Faserverbundwerkstoffen hat sich gezeigt, dass diese nicht immer den durch eine Pressform vorgegebenen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen. Vielmehr haben diese Blattfedern quer zur Längserstreckung leicht konkav gekrümmte Ober- und/oder Unterseiten, wodurch die längsgerichteten Kanten der Blattfeder etwas nach oben beziehungsweise unten hervorstehen.
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Wenn solche konventionellen Blattfedern an ihren Befestigungsstellen mit diesbezüglichen Befestigungsmitteln an einem abzufedernden Bauteil eingespannt werden, bilden sich an den Befestigungsstellen Risse oder es brechen die Kanten der Blattfeder an diesen Befestigungs- beziehungsweise Einspannstellen teilweise ab. Derartige Risse oder Bruchstellen wirken sich ungünstig auf die Lebensdauer der Blattfeder aus, da an diesen Feuchtigkeit in dieselbe eindringen und deren Verbundgefüge negativ beeinträchtigen kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Faserverbund-Blattfeder derart weiterzubilden, dass die beschriebene Rissbildung oder gar ein Kantenbruch an den Befestigungsstellen derselben nicht auftritt.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich trotz einer rechtwinkligen formgebenden Querschnittsgeometrie einer Pressform zur Herstellung einer Faserverbund-Blattfeder eine nicht rechtwinklige Querschnittsgeometrie der Blattfeder einstellen kann. Insbesondere bildet sich häufig eine konkav gewölbte Ober- und/oder Unterseite. Um dem entgegenzuwirken, wird zur Herstellung einer Blattfeder gemäß der Erfindung eine Pressform genutzt, welche im Querschnitt konkav gewölbte Formflächen für die Oberseite und die Unterseite sowie für die Seitenflächen der Blattfeder aufweist, so dass im Ergebnis eine Blattfeder mit konvexen Oberflächen herstellbar ist.
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Die Erfindung betrifft daher eine Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff, mit einer im Querschnitt vierkantstabförmigen Umfangskontur sowie mit einer Oberseite und einer Unterseite, welche zumindest in deren Befestigungsbereichen quer zur Längserstreckung derselben konvex gewölbt sind, und mit sich längsgerichtet erstreckenden Kanten an den jeweiligen Enden der konvexen Wölbungen, bei der zusätzlich vorgesehen ist, dass auch die Seitenflächen der Blattfeder quer zur Längserstreckung derselben konvex gewölbt sind.
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Dadurch, dass die Blattfeder auch mit im Querschnitt konvexen Seitenflächen ausgebildet ist, weisen deren Kanten einen besonders stumpfen Winkel auf, welches die Gefahr der Rissbildung oder des Abbrechens der Kanten weiter verringert. Bei einem Einspannen der Faserverbundblattfeder in diesbezügliche Befestigungsvorrichtungen an einem Fahrzeug stehen daher die Kanten der Blattfeder nicht mehr nach oben oder unten vor, weshalb diese auch nicht mehr befestigungsbedingt einreißen und/oder abbrechen können.
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Gemäß einer ersten Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass zumindest die Oberseite und die Unterseite der Blattfeder nur in deren Befestigungsbereichen konvex gewölbt sind. Dadurch lässt sich ein erhöhter Materialaufwand axial zwischen den genannten Einspannstellen vermeiden.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die konvexe Wölbung so ausgebildet ist, dass Befestigungsmittel, welche die Blattfeder an einem Fahrzeug fixieren, die Kanten der Blattfeder beim Einspannen nicht zuerst berühren.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass die konvexe Wölbung zumindest der Oberseite und der Unterseite über die gesamte Querschnittsbreite der Blattfeder ausgebildet ist.
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Die konvexe Wölbung zumindest der Oberseite und/oder der Unterseite der Blattfeder ist bevorzugt durch eine Werkzeugform mit konkaven Formflächen erzeugt.
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Selbstverständlich könnten zur Erreichung des gleichen technischen Effekts, also der Vermeidung der Rissbildung bzw. des Abbrechens der Längskanten der Blattfeder, auch die Kontaktflächen der die Blattfeder einspannenden Befestigungsvorrichtungen eine konkave Oberfläche aufweisen. Ein unmittelbarer Kontakt der Kanten der Blattfeder mit der jeweiligen Befestigungsvorrichtung käme dann ebenfalls nicht zustande. Die Herstellung solcher Befestigungsvorrichtungen würde jedoch in einem spanenden Herstellvorgang erfolgen, welcher aufwendiger ist als der Formvorgang mit der nur leicht modifizierten Pressform zur Herstellung der Faserverbund-Blattfeder.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser zeigt
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1 eine schematische Draufsicht auf eine Blattfeder gemäß der Erfindung,
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2 einen Querschnitt durch den Befestigungsbereich einer konventionelle Blattfeder an der Stelle A-A gemäß 1 sowie durch eine zugeordnet Befestigungsvorrichtung, und
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3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Blattfeder.
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Demnach zeigt 1 eine schematische Draufsicht auf eine Blattfeder 1, die aus einem Faserverbundwerkstoff besteht und eine weitgehend vierkantstabförmigen Umfangskontur 2 aufweist. Der Faserverbundwerkstoff besteht im Wesentlichen aus weitgehend parallel zueinander ausgerichteten Fasern 4, beispielsweise Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern, welche sich ungekürzt von einem axialen Ende 3 zu dem gegenüberliegenden axialen Ende 3 der Blattfeder erstrecken und in einem ausgehärteten Kunstharz eingebettet sind. Diese Blattfeder 1 ist beispielhaft zum Einbau in ein Kraftfahrzeug, wie etwa Stadtlieferfahrzeug vorgesehen, in welchem diese quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnet wird.
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Die Blattfeder 1 ist mit ihren Befestigungsbereichen 5, 6, 6' und 7 mit Fahrzeugteilen verbindbar, wobei die axial äußeren Befestigungsbereiche 5 und 7 üblicherweise einer Radaufhängung eines linker bzw. eines rechten Fahrzeugvorderrades und die mittleren Befestigungsbereiche 6, 6' zweifach außermittig Befestigungspunkten an der Fahrzeugkarosserie zugeordnet sind.
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Die Befestigung einer Blattfeder 15 gemäß dem Stand der Technik an den genannten Fahrzeugteilen erfolgt so, wie dies vereinfacht in der Querschnittsdarstellung A-A gemäß 2 gezeigt ist. Dabei liegt im Befestigungsbereich 5 ein erstes Befestigungsmittel 8 an der Oberseite 11 sowie ein zweites Befestigungsmittel 9 an der Unterseite 12 der Blattfeder 15 unter Anwendung einer Anpresskraft F auf. Da die Blattfeder 15 gemäß dem Stand der Technik produktionsbedingt mit leicht konkaver Oberseite 11 bzw. leicht konkaver Unterseite 12 ausgebildet ist, wirkt bei einer erstmaligen Belastung der Blattfeder 15 die Anpresskraft F im Wesentlichen auf die längsgerichteten Kanten 10 derselben, so dass diese teilweise abbrechen oder zumindest Risse aufweisen, welches in 2 angedeutet ist und vermieden werden soll.
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3 zeigt einen Querschnitt A-A durch die erfindungsgemäße Blattfeder 1 gemäß 1. Darin ist deutlich erkennbar, dass die Blattfeder 1 eine konvexe Oberseite 13 und eine konvexe Unterseite 14 aufweist. Die Wölbung bzw. Balligkeit der Oberflächen 13, 14 ist dabei bevorzugt so gering ausgebildet, dass die Kanten 10 der Blattfeder 1 nicht als erstes mit der Anpresskraft F beaufschlagt werden, sondern dass ein großflächiger mittlerer Bereich zuerst belastet wird. Dadurch wird eine Rissbildung in der Blattfeder 1 vermieden und so deren Lebensdauer feststellbar verlängert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blattfeder
- 2
- Umfangskontur der Blattfeder
- 3
- Axiales Ende der Blattfeder
- 4
- Faser
- 5
- Seitlicher Befestigungsbereich
- 6
- Mittlerer Befestigungsbereich
- 6'
- Mittlerer Befestigungsbereich
- 7
- Seitlicher Befestigungsbereich
- 8
- Befestigungsmittel
- 9
- Befestigungsmittel
- 10
- Kante
- 11
- Oberseite der Blattfeder, konkav
- 12
- Unterseite der Blattfeder, konkav
- 13
- Oberseite der Blattfeder, konvex
- 14
- Unterseite der Blattfeder, konvex
- 15
- Blattfeder, Stand der Technik
- F
- Anpresskraft
