DE3000520A1 - Mit kohlenstoff-fasern verstaerkte, schraubenfoermig gewickelte feder und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Mit kohlenstoff-fasern verstaerkte, schraubenfoermig gewickelte feder und verfahren zu ihrer herstellung

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DE3000520A1
DE3000520A1 DE19803000520 DE3000520A DE3000520A1 DE 3000520 A1 DE3000520 A1 DE 3000520A1 DE 19803000520 DE19803000520 DE 19803000520 DE 3000520 A DE3000520 A DE 3000520A DE 3000520 A1 DE3000520 A1 DE 3000520A1
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Description

300Q5.2Q
Mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte, schraubenförmig gewickelte Feder und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft einen mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfederverbundaufbau und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Schraubenfedern finden unzählige Verwendungen in allen Arten von Maschinen. Sie haben eine Anzahl von Verwendungen in der Automobilindustrie für Fahrzeug-Aufhängesysteme und in verschiedenen Teilen des Motors (z.B. als Ventilstößelfedern). In der Automobilindustrie werden seit kurzem Versuche unternommen, das Fahrzeuggewicht zu verringern, um die Kosten und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Die Verwendung von leichten Werkstoffen (z.B. Kunststoffen) anstelle der üblicherweise für Automobilteile (z.B. den Kühlergrill) versehenen Schwermetalle ist zur Zeit eine Methode, die angewendet wird, um das Fahrzeuggewicht zu senken. Es wäre somit erwünscht, in den Automobilen Schraubenfedern zu verwenden, die aus einem Werkstoff bestehen, der leichter ist als das zur Zeit in Schraubenfedern verwendete Metall, jedoch nahezu die gleichen Festigkeits- und Energiespeichereigenschaften hat.
Metallschraubenfedern werden ebenfalls in zahllosen Maschinen wie Förderern, Verdichtern (Straßenfröschen), Hämmern usw. verwendet. Die Schwingfähigkeit und die Haltbarkeit der Metallfedern begrenzen jedoch die Zeitdauer und Häufigkeit, während derer diese Maschinen betrieben werden können, ohne Ersatz der Metallschraubenfedern als Folge des Ausfalls durch Ermüdung zu erfordern.
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Ermüdungsbruch findet bei Teilen statt, die ständig schwankenden Beanspruchungen unterworfen sind, beispielsweise bei Schraubenfedern. Die Verwendung eines nichtmetallischen Werkstoffs für solche Federn, der den wiederholten Schwingungskräften besser widerstehen könnte, ist somit äußerst erwünscht.
Faserverstärkte Kunststoffedern sind seit langem als Ersatz für Metallfedern einschließlich metallischer Schraubenfedern bekannt. Beispielsweise beschreiben die US-PSen
TO 2 852 424 und 3 378 426 glasfaserverstärkte Kunststoffschraubenfedern. Die US-PS 3 142 598 beschreibt harzimprägnierte, glasfaserverstärkte Blattfedern für Automobile. Ferner beschreibt die US-PS 3 321 200 einen glasfaserverstärkten Federungsblock, der in Fahrzeug-Aufhängesystemen verwendet werden kann. Diese glasfaserverstärkten Kunststoffedern stellen zwar einen gewichtssparenden Ersatz für Metallfedern dar, jedoch ist die Festigkeit der Feder im allgemeinen nicht so hoch wie die einer Metallfeder von vergleichbarer Größe. Einer der Gründe für die geringere Festigkeit von faserverstärkten Kunststoffedern liegt darin, daß im allgemeinen regellos orientierte, nicht verbundene Fasern als Verstärkungsmittel verwendet werden. Diese regellos orientierten, nicht verbundenen Fasern oder Einzelfasern haben eine geringe Scherfestigkeit und niedrigen Schermodul.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen leichten, faserverstärkten Schraubenfederverbundaufbau, insbesondere eine mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Schraubenfeder, die hohe Festigkeit im Verhältnis zu ihrem Gewicht aufweist, sowie eine Schraubenfeder aus Verbundmaterial, die aus harzimprägnierten Kohlenstoff-Fascrlitzen oder -geflechten besteht und eine lange Lebensdauer im Verhältnis zu ihrem Gewicht aufweist, verfügbar zu machen.
Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zur Herstel-
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lung der verbesserten, mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfeder gerichtet.
Die vorstehend genannten und andere Aufgaben, die die Erfindung sich stellt, können gelöst werden durch eine mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Schraubenfeder, die eine Schraubenfederstruktur aufweist, die aus geflochtenen Kohlenstoff-Fasern und einer Menge eines Harzes, das als im wesentlichen geschlossene Einbettmasse für die geflochtenen Fasern dient, gebildet wird, wobei die Kohlenstoff-Fasern in einem Winkel von etwa plus oder minus 30 bis plus oder minus 60 zur Litzenachse geflochten sind.
Weitere Aufgaben, die die Erfindung sich stellt, können gelöst werden durch Bildung des mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfederverbundaufbaus gemäß der Erfindung nach einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine Kohlenstoff-Faserlitze, in der die Fasern in einem Winkel von plus oder minus 30 bis plus oder minus 60 zur Litzenachse orientiert sind, mit einer Menge eines als im wesentlichen geschlossenes Einbettmaterial dienenden, nicht-erstarrten Harzes imprägniert, die imprägnierte Litze innerhalb einer Nut, die sich schraubenförmig längs der Oberfläche eines zylindrischen Dorns erstreckt, wickelt und hierdurch die Schraubengestalt der faserverstärkten Schraubenfeder ausbildet, das als Einbettmasse dienende Harz zum Erstarren bringt und die feste Feder vom Dorn abnimmt.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Abbildungen weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Teil einer Kohlenstoff-Faserlitze, die für die Herstellung des Schraubenfederverbundaufbaus gemäß der Erfindung verwendet wird.
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Fig. 2 zeigt einen in Längsrichtung verstärkten Teil der zur Bildung der Schraubenfeder gemäß der Erfindung verwendeten Kohlenstoff-Paserlitze.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines mit wendeiförmiger Nut versehenen Dorns, der zur Bildung der Schraubenfeder verwendet werden kann.
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht eines Dorns, in dessen wendeiförmige Nut eine harzimprägnierte Kohlenstoff-Faserlitze eingelegt ist.
Fig. 5 ist ein Schnitt durch den in Fig. 4 dargestellten, mit wendeiförmiger Nut versehenen Dorn.
Fig. 6 zeigt als Seitenansicht teilweise im Schnitt eine mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Schraubenfeder gemäß der Erfindung.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch die in den Dorn eingearbeitete wendeiförmige Nut, in der die. Kohlenstoff-Faserlitze gewickelt wird.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer in einen Dorn eingearbeitete wendelförmige Nut, in der die Kohlenstoff-Faserlitze gewickelt werden kann.
Fig. 9 zeigt eine Seitenansicht eines aus Segmenten bestehenden Dorns, der zur Herstellung der schraubenfeder gemäß der Erfindung verwendet werden kann.
Fig. 10 zeigt im Querschnitt eine Stirnansicht eines ausziehbaren Dorns, der zur Herstellung der Schraubenfeder gemäß der Erfindung verwendet werden kann.
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Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines ausziehbaren Doms, der für die Herstellung der Schraubenfeder gemäß der Erfindung verwendet werden kann.
Die mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Schraubenfeder gemäß der Erfindung weist eine Schraubenfederstruktur auf, die aus geflochtenen Kohlenstoff-Fasern und einer Menge eines als im wesentlichen geschlossene feste Einbettmasse für die geflochtenen Fasern dienenden Harzes gebildet wird. Die Kohlenstoff-Fasern sind in einem Winkel von etwa plus oder minus 30 bis plus oder minus 60° zur Litzenachse geflochten. In die Litze kann ferner eine in Längsrichtung verlaufende verstärkende Faser eingearbeitet werden. Ein besseres Verständnis der Erfindung vermitteln die in Fig. 1 bis Fig. Ί1 dargestellten Ausführungsformen.
Fig. 1 zeigt einen Teil des aus Kohlenstoff-Fasern 15 gebildeten Kohlenstoff-Fasergeflechts 10, das zur Herstellung der Schraubenfeder gemäß der Erfindung verwendet wird. Die Kohlenstoff-Fasern 15 sind in einem Winkel zur Litzenachse AA im Bereich von etwa plus oder minus 30° bis plus oder minus 60° ausgerichtet. Vorzugsweise sind die Kohlenstoff-Fasern in einem Winkel a im Bereich von etwa plus oder minus 45 zur Litzenachse orientiert.
Der hier im allgemeinen Sinn gebrauchte Ausdruck "Kohlenstoff-Fasern umfaßt Graphitfasern sowie amorphe Kohlenstoff-Fasern. Graphitfasern werden hier definiert als Fasern, die wenigstens etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff enthalten und ein für Graphit charakteristisches überwiegendes Röntgenbeugungsbild aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Graphitfasern wenigstens etwa 9 5 Gew.-% Kohlenstoff, wobei wenigstens etwa 99 Gew.-% Kohlenstoff besonders bevorzugt werden.
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Amorphe Kohlenstoff-Fasern werden andererseits als Fasern definiert, in denen die Hauptmenge des Fasergewichts dem Kohlenstoff zuzuschreiben ist. Diese Fasern zeigen ein im wesentlichen amorphes Röntgenbeugungsbild.
Die Kohlenstoff-Fasern sind allgemein als Multifilamentbündel von im wesentlichen parallelen Endlosfäden erhältlich und haben eine Reißfestigkeit von wenigstens 1034 N/mm2 (z.B. 1379 bis 2414 N/mm2). Ferner haben diese Fäden im allgemeinen einen Einzeltiter von etwa 0,56 bis 2,23 dtex und einen Young-Elastizitätsmodul von
ο
wenigstens 172.375 N/mm (z.B. etwa 172.375 bis
2
689.500 N/mm ). Der Young-Elastizitätsmodul kann nach der Methode ASTM D-21O1-64T bestimmt werden.
Diese Kohlenstoff-Fasern sind im Handel erhältlich und können nach bekannten Verfahren durch thermische Behandlung verschiedener polymerer Fasermaterialien hergestellt werden. Bevorzugt werden Kohlenstoff-Fasern, die aus einem Acrylharzvorprodukt hergestellt worden sind (siehe beispielsweise die US-PSen 3 775 520, 3 900 556 und 3 954 950 der Anmelderin).
Die Kohlenstoff-Fasern werden nach ihrer Herstellung vorzugsweise außerdem einer Oberflächenbehandlung unterworfen, um ihre Haftfestigkeit an einem Matrixharzmaterial zu verbessern. Repräsentative Verfahren zur Modifikation der Oberflächeneigenschaften von kohlenstoffhaltigem Fasermaterial zur Verbesserung der Haftfestigkeit an einem Matrixharzmaterial werden in den US-PSen 3 723 150, 3 723 607, 3 745 104, 3 762 941, 3 767 774, 3 821 013, 3 894 884 und 3 859 187 der Anmelderin beschrieben.
Als Kohlenstoff-Fasern eignen sich für die Kohlenstoff-Faserlitze beispielsweise die im Handel unter der Bezeichnung "Celion" erhältlichen Produkte der Anmelderin,
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die Kohlenstoff-Fasern von mittlerem Modul und hoher Festigkeit sind.
Graphitische Fasern haben von allen Fasern die besten Eigenschaften für die Verwendung als Verstärkung von hoher Festigkeit. Zu den erwünschten Eigenschaften von Graphitfasern gehören Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit, geringe Dichte, hohe Zugfestigkeit und hoher Young-Elastizitätsmodul. Graphit ist einer der wenigen bekannten Werkstoffe, dessen Zugfestigkeit mit der Temperatur steigt. Graphitfasern haben im allgemeinen einen höheren zusammengesetzten Schermodul als amorphe Kohlenstoff-Fasern, so daß graphitische Kohlenstoff-Fasern für die Verwendung in der mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfeder gemäß der Erfindung bevorzugt werden.
Schraubenfedern widerstehen der Einwirkung einer Belastung durch Schub (shear). Die beste Schubkonfiguration für die FaserverStärkung ist plus oder minus 45 . An diesem Punkt zeigt die Schraubenfeder den höchsten Schermodul und die höchste Scherfestigkeit. Demgemäß ermöglicht die Verwendung von geflochtenen Kohlenstoff-Fasern die Anordnung der Fasern im Bereich von plus oder minus 30° bis plus oder minus 60°, vorzugsweise plus oder minus 45 zur Achse der Litze.
Die Kohlenstoff-Faserlitze kann flach oder rund sein, solange die erforderliche Ausrichtung der Kohlenstoff-Faser zur Litzenachse aufrechterhalten wird. Im allgemeinen wird die Kohlenstoff-Faserlitze aus geflochtenem Multifilamentgarn hergestellt, um den Flechtvorgang zu erleichtern. Garne mit beliebigen flechtbaren Abmessungen sind für die Zwecke der Erfindung geeignet.
Fig. 2 veranschaulicht eine Kohlenstoff-Faserlitze 20, die mit in Längsrichtung verlaufenden Fasern verstärkt
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ist und zur Herstellung'der Schraubenfeder gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Die verstärkenden Längsfäden 25 können vorteilhaft in die Litze 20 eingearbeitet und in Längsrichtung zur Litzenachse orientiert werden. Die verstärkenden Längsfasern verringern die Möglichkeit, daß die Litze 20 gerade gerichtet wird, wenn beim schraubenförmigen Wickeln um den Dorn Spannung auf die Litze zur Einwirkung kommt. Änderungen im Winkel der Ausrichtung der Kohlenstoff-Fasern in der Litze während der Einwirkung von Spannung werden somit weitgehend ausgeschaltet.
Zahlreiche Arten von Verstärkungsfasern eignen sich für die Verwendung innerhalb der Kohlenstoff-Faserlitze. Als Beispiele sind Glasfasern, Kohlenstoff-Fasern, vollaromatische Polyamidfasern (d.h. Aramidfasern), Polyesterfasern und Naturfasern (z.B. Baumwollfasern) zu nennen. Gemische verschiedener Arten von Verstärkungsfasern können ebenfalls verwendet werden. Die verstärkenden Längsfasern können in jeder Menge, die dazu dient, das Geradeziehen der Litze unter Spannung in Längsrichtung zu verhindern, in die Litze eingearbeitet werden. Im allgemeinen kann der mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Schraubenfederverbundaufbau zu 5 bis 10 Vol.-% aus den verstärkenden Längsfasern bestehen. Die Fasern können nach beliebigen Verfahren in die Litze eingearbeitet werden, solange dieses Verfahren es den zugesetzten Verstärkungsfasern ermöglicht, die Neigung der Kohlenstoff-Faserlitze, sich beim spiralförmigen Wickeln um den Dorn in Längsrichtung auszurichten, zu verringern. Beispielsweise können die verstärkenden Längsfasern in die Kohlenstoff-Faserlitze nach beliebigen bekannten Webverfahren während der Bildung der Kohlenstoff-Faserlitze eingewebt werden.
Glasfasern sind als Multifilamentbündel aus im wesentliehen parallelen Endlosfäden erhältlich und haben im
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allgemeinen einen Young-Elastizitätsmodul von 55160 bis
2
82740 N/mm . Repräsentative Glasfasern, die verwendet werden können, sind unter der Handelsbezeichnung "E-Glas" und "S-Glas" im Handel erhältlich.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines mit spiralförmiger Nut versehenen Dorns 30, der für die Bildung der Schraubenfeder gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Der Dorn 30 ist mit einer wendeiförmigen Nut 35 in seiner Außenfläche versehen. Die harzimprägnierte Litze wird in der spiralförmigen Nut 35 gewickelt, und das Harz wird der Erstarrung überlassen. Anschließend wird der feste Schraubenfederverbundaufbau vom Dorn 30 abgenommen
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht eines gewendelten Dorns 30, in dessen spiralförmiger Nut eine harzimprägnierte Kohlenstoff-Faserlitze 40 eingelegt worden ist.
Fig. 5 ist ein Schnitt durch den in Fig. 4 dargestellten Dorn und läßt die harzimprägnierte Kohlenstoff-Faserlitze 40 in der spiralförmigen Nut des Dorns 30 erkennen.
Fig. 6 zeigt als Seitenansicht teilweise im Schnitt eine mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Schraubenfeder gemäß der Erfindung. Die Schraubenfeder 50 besteht aus wenigstens einer Lage einer harzimprägnierten Kohlenstoff-Faserlitze, die in die spiralförmige Nut eines Dorns gewickelt worden ist. Nach dem Erstarren des Harzes, das als ein im wesentlichen geschlossenes Matrixmaterial für den Schraubenfederverbundaufbau dient, wird eine feste, mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Schraubenfeder gebildet. Die geflochtenen Kohlenstoff-Fasern in der Schraubenfeder sind in einem Winkel von plus oder minus 30° bis plus oder minus 60° zur Litzenachse AA innerhalb der Schraubenfeder 50 ausgerichtet.
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Die Kohlenstoff-Faserlitze kann mit dem Harz in beliebiger geeigneter Weise imprägniert werden. Die Imprägnierung kann kontinuierlich oder chargenweise durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Kohlenstoff-Faserlitze kontinuierlich durch eine Imprägnier- oder Beschichtungszone geführt werden, in der das Harzmaterial kontinuierlich auf die Kohlenstoff-Faserlitze aufgebracht wird. Es ist auch möglich, Abschnitte der Kohlenstoff-Faserlitze zu imprägnieren, während sie im Ruhezustand gehalten wird. Zu den bevorzugten Imprägnierverfahren gehört das Eintauchen der Litze in ein Harzbad. Damit eine ausreichende Imprägnierung der Litze stattfindet, ist es im allgemeinen notwendig, die Litze zu imprägnieren, bevor sie in die spiralförmige Nut des Dorns gewickelt wird.
Als Harze, die als Einbettmasse oder Matrix dienen, können thermoplastische oder hitzehärtbare Harze verwendet werden, wobei hitzehärtbare Harze auf Grund ihrer besseren Fähigkeit, erhöhten Temperaturen zu widerstehen, bevorzugt werden.
Als Beispiele repräsentativer hitzehärtbarer Harze, die für die Herstellung der mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfeder gemäß der Erfindung verwendet werden können, sind Epoxyharze, Phenolharze, Polyesterharze, Polyimidharze, Polybenzimidazole und Polyurethane zu nennen. Bevorzugt als hitzehärtbare Harze werden auf Grund ihres hohen Elastizitätsmoduls und ihrer allgemeinen Temperaturunempfindlichkeit die Polyesterharze und Epoxyharze.
Als Beispiele üblicher Handelsbezeichnungen von besonders vorteilhaften, im Handel erhältlichen Epoxyharzen sind die Produkte "Epi-Rez 508" und "Epi-Rez 510" (Celanese Coatings), "ERLA 2256" und "ERLA 4617" (Union Carbide) sowie "Epon"-Epoxyharze (Shell) zu nennen.
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Hitzehärtbare Harze werden durch Anwendung von Wärme und/oder Verwendung von Härtemitteln gehärtet (d.h. zum Erstarren gebracht). Das Härten von Epoxyharzen ist typischerweise eine Weiterreaktion der Epoxy- oder Hydroxylgruppen, wodurch Wachstum der Molekülketten und Vernetzung stattfinden. Der hier gebrauchte Ausdruck "Härtemittel" wird demgemäß in dem Sinne definiert, daß er die verschiedenen Härtemittel vom co-reaktanten Typ umfaßt. Beispiele von Klassen bekannter Epoxyharz-Härtemittel, die verwendet werden können, sind aliphatische und aromatische Amine, Polyamide, tertiäre Amine, Amin-Addukte, Säureanhydride, Säuren, Aldehydkondensationsprodukte und Katalysatoren vom Typ der Lewis-Säuren, z.B. Bortrifluorid. Bevorzugt als Härtemittel für die Epoxyharze werden Säureanhydride (z.B. Hexahydrophthalsäure und Methylbicyclo/2".2.J_7hepten-2,2-dicarbonsäureanhydridisomere, gehandelt unter der Bezeichnung "Nadic Methyl Anhydride" (Hersteller Allied Chemical Company)) und aromatische Amine (z.B. m-Phenylendiamin und Dimethylanilin).
Als repräsentative thermoplastische Harze, die zur Herstellung der mit Kohlenstoff-Pasern verstärkten Schraubenfedern gemäß der Erfindung verwendet werden können, seien genannt: Polyamide, Polyoxymethylene, PoIyolefine (z.B. Polyäthylen und Polypropylen) und thermoplastische Polyester. Bevorzugt als thermoplastische Harze werden Polyamide (z.B. Nylon 66, das durch Kondensation von Hexamethylendiamin mit Adipinsäure hergestellt wird) und Polyester (z.B. Polyäthylenterephthalat, das durch Kondensation von Äthylenglykol und Terephthalsäure hergestellt wird).
Die Entscheidung, ob ein thermoplastisches oder ein hitzehärtbares Harz als Einbettmasse verwendet wird, hängt weitgehend von der jeweils vorgesehenen Anwendung der mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Federn ab. Wenn
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die Feder beispielsweise unter kalten Umgebungsbedingungen verwendet wird, können thermoplastische oder hitzehärtbare Harze verwendet werden. Die Federsteifigkeit nimmt im allgemeinen mit fallender Umgebungstemperatur zu.
Daher können Harze, die sich unter normalen Temperaturbedingungen als ungeeignet erweisen würden, unter kalten Umgebungsbedingungen als Einbettmasse durchaus geeignet seih. Die wesentlichen Voraussetzungen für die Wahl des Harzes sind, daß es in der Lage ist, zu erstarren und unter den vorgesehenen Einsatzbedingungen eine im wesentlichen geschlossene, zusammenhängende feste Einbettungsmasse bildet. Beispielsweise werden normalerweise hitzehärtbare Harze verwendet, wenn damit gerechnet wird, daß die Schraubenfeder unter Bedingungen übermäßig hoher Temperaturen (z.B. 38° bis 538 C) verwendet wird.
Hitzehärtbares Harzmaterial wird im flüssigen Zustand auf die Kohlenstoff-Faserlitze aufgebracht und kann aus einem Lösungsmittel oder einem lösungsmittelfreien System aufgetragen werden. Wegen der leichten Anwendung werden freifließende verdünnte (d.h. stark verschnittene) oder niedrigviskose Harzsysteme bevorzugt.
Bei Verwendung eines lösungsmittelfreien Systems wird vorzugsweise ein hitzehärtbares Resolharz (A-Stadium) verwendet und unmittelbar vor der Aufbringung auf die Kohlenstoff-Faserlitze bei einer Temperatur von etwa 20 bis 80°C gehalten. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das hitzehärtbare Resolharz bei einer Temperatur von etwa Raumtemperatur (z.B. etwa 25 C) gehalten, um eine optimale Gebrauchsdauer vor seiner Aufbringung auf die Litze zu erzielen.
Das lösungsmittelfreie System, das ein hitzehärtbares Resolharz enthält, ist fließfähig, und das hitzehärtbare
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Harz ist im wesentlichen ungehärtet (d.h. nicht fest). Wenn Wärme auf dieses Harz zur Einwirkung gebracht wird, härtet oder erstarrt es zu starrer fester Konsistenz, die als hitzehärtbares Resitharz (C-Stadium) bezeichnet wird/ das später nach erneuter Einwirkung von Wärme nicht plastisch oder fließfähig gemacht werden kann. Das Härten oder Erstarren des hitzehärtbaren Harzes erfolgt durch chemische Veränderungen, die durch Wärme hervorgebracht werden und zur Bildung eines kompakten, häufig vernetzten Systems führen. Es ist somit wesentlich, daß eine mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Litze, die mit solchen hitzehärtbaren Harzen imprägniert ist, vor dem Zeitpunkt, zu dem die Härtungsreaktion bis zum C-Stadium fortgeschritten ist, in die spiralförmige Nut des Dorns gewickelt wird.
Ein Resitolharz (B-Stadium) wird als teilweise gehärtetes oder teilweise erstarrtes hitzehärtbares Harz definiert, das weder die Konsistenz einer fließfähigen Flüssigkeit noch die Konsistenz eines starren Feststoffs hat. Ein hitzehärtbares Resitolharz ist demgemäß in seiner Konsistenz weich und klebrig und läßt sich leicht formen. Im Laufe der Zeit nimmt ein hitzehärtbares Resitolharz selbst bei Raumtemperatur die Konsistenz des C-Stadiums an. Die Umwandlung von der Konsistenz des B-Stadiums zur Konsistenz des erstarrten C-Stadiums wird jedoch durch Einwirkung von Wärme beschleunigt oder gefördert.
Die Kohlenstoff-Faserlitze kann mit einem hitzehärtbaren Resolharz imprägniert werden, das der Vorhärtung überlassen wird, so daß ein hitzehärtbares Resitolharz gebildet wird. Die mit dem hitzehärtbaren Harz von der Konsistenz des B-Stadiums imprägnierte Kohlenstoff-Faserlitze kann dann unter im wesentlichen nicht-härtenden Bedingungen (z.B. bei niedrigen Temperaturen) gelagert werden, bis die harzimprägnierte Litze gebraucht, d.h. in die wendeiförmige Nut eines Dorns gewickelt werden soll.
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Die teilweise gehärtete harzimprägnierte Litze kann dann der vollständigen Härtung oder Erstarrung überlassen werden.
Wenn das Harz aus einem Lösungsmittelsystem aufgebracht wird, wird es zur Bildung einer fließfähigen Flüssigkeit in einem Lösungsmittel gelöst. Zu den geeigneten Lösungsmitteln, die gewöhnlich in solchen Lösungsmittelsystemen verwendet werden, gehören beispielsweise Aceton, Methyläthylketon, Dimethylketon, Perchloräthylen, Methylenchlorid und Äthylendichlorid. Das im Lösungsmittel gelöste hitzehärtbare Harz kann entweder ungehärtet oder teilgehärtet sein. Die Lösungsmittelkomponente wird von der harzimprägnierten Litze normalerweise entfernt, bevor sie in die schraubenförmige Nut des Dorns gewickelt wird. Beispielsweise kann das Lösungsmittel zweckmäßig von der harzimprägnierten Kohlenstoff-Faserlitze vor dem Wickeln entfernt werden, indem die Litze mäßig erhitzt wird, um das Lösungsmittel zu verdampfen. Wenn das Lösungsmittel während der Erstarrungsstufe auf dem Dorn in der imprägnierten Litze bleiben soll, ist es äußerst zweckmäßig, daß Teile der Litze der Atmosphäre ausgesetzt werden, so daß das Lösungsmittel entweichen kann, ohne Hohlräume und Poren in der gebildeten Schraubenfeder zu bilden.
im wesentlichen die gesamte Härtung oder Erstarrung des hitzehärtbaren Harzes kann während oder nach der Bildung der Schraubenfeder in der schraubenförmigen Nut des Dorns stattfinden. Falls gewünscht, kann das Harz ein oder mehrere Härtemittel, Beschleuniger, modifizierende Mittel oder Verdünnungsmittel vom reaktionsfähigen Typ enthalten.
Thermoplastische Harze werden auf die Kohlenstoff-Faserlitze im flüssigen (d.h. geschmolzenen) Zustand aufgebracht. Das thermoplastische Harz muß bei einer Tempera-
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tür oberhalb der Erstarrungstemperatur des jeweils verwendeten Harzes während der Imprägnierungsstufe gehalten werden, damit ausreichende Imprägnierung der Litze stattfinden kann. Beispielsweise kann die Litze in das geschmolzene thermoplastische Harz getaucht und dann in eine schraubenförmige Nut eines Dorns gewickelt werden. Die imprägnierte Kohlenstoff-Faserlitze wird dann der Abkühlung unter die Erstarrungstemperatur des Harzes überlassen, so daß das thermoplastische Harz erstarrt und eine im wesentlichen geschlossene, zusammenhängende Einbettungsmasse bildet.
Die erhaltenen, mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfedern sind im wesentlichen hohlraum- und porenfrei (vorzugsweise weniger als 2 Vol.-% Hohlräume und Poren) und bestehen im allgemeinen zu 50 bis 10 Vol.-% aus Kohlenstoff-Fasern und 30 bis 50 Gew.-% Einbettungsharzmasse. Die Schraubenfedern können ferner in Längsrichtung verlaufende Verstärkungsfasern in einer Menge von etwa 5 bis 10 Vol.-% enthalten.
Fig. 7 und Fig. 8 zeigen jeweils Querschnittsansichten der schraubenförmigen Nut 60 in einem Dorn 65. Die schraubenförmige Nut kann jede beliebige geeignete Querschnittsform haben. Beispielsweise kann die Nut abgerundet, quadratisch oder rechteckig im Querschnitt sein. Eine quadratische schraubenförmige Nut 60 ist in Fig. 7 dargestellt. Die Seiten der schraubenförmigen Nut können zur Erleichterung des Abnehmens der Schraubenfeder aus der schraubenförmigen Nut 70 sowie zum leichteren Einlegen der harzimprägnierten Litze in die Nut abgeschrägt sein, wie in Fig. 8 dargestellt. Normalerweise braucht der Winkel β der Abschrägung nur einige wenige Grad, vorzugsweise 1 bis 3 zu betragen.
Die harzimprägnierte Kohlenstoff-Faserlitze kann nach beliebigen geeigneten Methoden in eine schraubenförmige
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Nut eines Doras gewickelt oder eingelegt werden. Beispielsweise kann die Litze kontinuierlich nach dem Durchgang durch ein Harzbad in die schraubenförmige Nut gewickelt werden, oder getrennte Streifen der Litze können Ende an Ende in die Hut eingelegt werden. Kontinuierliche Zuführung der Litze von einer Rolle wird jedoch aus Erwägungen in bezug auf Zeit und Leichtigkeit der Handhabung bevorzugt. Um die Herstellung von Schraubenfeder mit großem Durchmesser zu ermöglichen, kann die harzimprägnierte Litze vor der Erstarrung schichtweise und/ oder nebeneinander in die Nut eingelegt werden, so daß große Schraubenfedern gebildet werden. Die Litze wird während des Wickeins in der schraubenförmigen Nut . vorzugsweise unter Längsspannung gebracht und während des Erstarrens unter dieser Spannung gehalten, um die Anwesenheit von Hohlräumen und Poren innerhalb der erstarrten, mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfeder weitgehend auszuschalten und eine kompak** te Einbettungsmasse zu bilden.
Auf die imprägnierte Litze wird während des Wickeins in die schraubenförmige Nut Druck ausgeübt, um die Schicht oder Schichten der Litze zusammenzudrücken und die Bildung von Hohlräumen zu verhindern und den Erstarrungsprozeß zu fördern. Beispielsweise können Rollen verwen- det werden, um die imprägnierte Litze in die schraubenförmige Nut zu pressen, während diese in der Nut gewikkelt wird.
Für die Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten ·schraubenfedern mit kleinem Durchmesser auf Chargenbasis kann die harzimprägnierte Litze in der schraubenförmigen Nut mit mehreren Lagen eines Bandes bewickelt werden, um genügend Druck auf die Außenfläche der Litze während des Erstarrens auszuüben. Beispielsweise genügt eine Innenlage aus einem nicht-porösen Band . (z.B. Polytetraflupräthylenband), das mit einem Schrumpf-
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band (z.B. Nylonband) bedeckt ist, um die imprägnierte Litze in einer schraubenförmigen Nut einzuschließen. Die Verwendung des nicht-porösen Bandes verhindert eine Verklebung zwischen dem Harz und dem Schrumpfband und ermöglicht leichte Entfernung der Bänder nach dem Erstarren.
Nach dem Erstarren des Schraubenfederverbundaufbaus wird dieser nach einer beliebigen geeigneten Methode vom Dorn abgenommen. Die Oberfläche des Dorns in der schraubenförmigen Nut kann auch mit einem Entformungsmittel behandelt werden, um die Abnahme der erstarrten Schraubenfeder vom Dorn zu erleichtern. Als Entformungsmittel eignen sich beispielsweise Polytetrafluorathylen, das unter der Bezeichnung "Teflon" im Handel erhältlich ist (Hersteller E.I. DuPont de Nemours & Company), und polymere Silikonverbindungen.
Die erstarrte Schraubenfeder kann nach verschiedenen Methoden vom Dorn abgenommen werden. Die Feder kann physikalisch vom Dorn abgewickelt werden. Als Alternative kann der in Fig. 9 dargestellte schraubenförmige Dorn 80, der einen herausziehbaren zylindrischen Kern 85 enthält, dessen Außenfläche die innere Bodenfläche der schraubenförmigen Nut 90 bildet, verwendet werden. Der zylindrische Kern 85 kann nach dem Erstarren entfernt werden, worauf eine Anordnung aus zwei Wendeln (d.h. der restliche Teil des Dorns und die erstarrte Schraubenfeder) zurückbleibt. Die beiden Wendeln können dann zur Trennung gegensinnig gedreht werden.
Eine andere Ausführungsform ist in Fig. 10 und Fig. 11 dargestellt, die einen zerlegbaren schraubenförmigen Dorn zeigen. Der auseinandernehmbare Dorn besteht aus einem entfernbaren inneren Kern und einem Außenabschnitt, der in mehrere Einzelstücke weiter unterteilt ist. Nach dem Erstarren der Schraubenfeder wird der Innen-
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kern entfernt, worauf die getrennten Teile des äußeren Abschnitts nach innen fallen und die Abnahme der erstarrten Schraubenfeder ermöglichen.
Fig. 10 zeigt einen Querschnitt des zerlegbaren Dorns. Der Dorn 95 besteht aus neun verschiedenen Teilen, d.h. einem entfernbaren mittleren Kern 100 und um den Umfang angeordneten Abschnitten 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135 und 140.
Der zerlegbare Dorn wird gebildet, indem ein massiver Zylinder in Längsrichtung in die neun dargestellten Abschnitte geschnitten und die Außenfläche zur Bildung einer glatten, runden Oberfläche abgedreht wird. Die Abschnitte werden dann zusammengehalten, während eine schraubenförmige Nut in die Außenfläche des Dorns geschnitten wird. Die Abschnitte können mit beliebigen üblichen Feststellmitteln, z.B. Metallbändern oder -stiften, zusammengehalten werden. Die Bänder oder Stifte od.dgl. können verwendet werden, um die einzelnen Abschnitte des zerlegbaren Dorns zusammenzuhalten, bis der Schraubenfederverbundaufbau erstarrt ist, worauf die Feststellmittel entfernt werden, um den Dorn auseinandernehmen zu können.
Die schraubenförmige Nut hat eine solche Tiefe, daß sie nur in die Umfangsabschnitte des Dorns eindringt. Beispielsweise ist die Tiefe der schraubenförmigen Nut in dem in Fig. 10 dargestellten Dorn durch die gestrichelte Linie angedeutet. Dies ermöglicht die Entfernung des zentralen Kerns 100 nach dem Erstarren des Schraubenfederverbundaufbaus innerhalb der schraubenförmigen Nut.
Nach der Entfernung des zentralen Kernabschnitts 100 läßt man gegenüberliegende Paare von Abschnitten (d.'h. die Abschnitte 105 und 125 sowie die Abschnitte 115 und 135) nacheinander in den nach Entfernung des Kernab-
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Schnitts 100 freigewordenen Kernraum fallen. Abschließend läßt man die Abschnitte 110, 120, 130 und 140 in den zentralen Raum fallen, worauf sie entfernt werden, wobei die erstarrte Schraubenfeder zurückbleibt.
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines zerlegbaren Dorns 95. Der mittlere Kernabschnitt 100 wird nach dem Erstarren der Schraubenfeder 145 in der schraubenförmigen Nut entfernt. Dann werden die Umfangsabschnitte 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135 und 140 entfernt, wobei die erstarrte Schraubenfeder 145 zurückbleibt.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel weiter erläutert.
Beispiel
Eine Litze aus Kohlenstoff-Fasern der Handelsbezeichnung
(R)
"Celion 3000 wird mit dem Epoxyharz der Handelsbezeichnung "EPON 815" in Kombination mit einem Tetraäthylentriamin (TETA) als Härtemittel bei Raumtemperatur getränkt. Überschüssiges Harz wird von der Litze entfernt. Die harzimprägnierte Litze wird dann unter Spannung in die schraubenförmige Nut eines Dorns gewickelt. Die Litze wird in drei vollständigen Windungen in die Nut gewickelt und dreifach geschichtet.
Der schraubenförmige Dorn hat einen Außendurchmesser von 50,8 mm. Die Nut hat eine Tiefe von etwa 12,7 mm. Die Breite der Nut beträgt 7,94 mm.
Die Enden der Litze werden mit Klebstreifen am Dorn festgelegt. Die Litze wird mit einem nicht-porösen Band aus Polytetrafluoräthylen unter Spannung und anschließend mit einem Nylon-Schrumpfband bewickelt. Die Bänder haben eine Breite von je 9,53 mm und passen über die Litze, wobei sie Teile der Außenflächen des Dorns überdecken.
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QQQb20
Der Dorn wird dann eine Stunde bei 70°C in einen Wärmeschrank gelegt, um das Epoxyharz zu härten. Der Dorn wird dann aus dem Wärmeschrank genommen und der Abkühlung auf Raumtemperatur überlassen.
. Die Kohlenstoff-Fasern und überschüssiges Band werden an jedem Ende des Doms mit einem Stirnfräser abgeschnitten, und mit leichtem Klopfen auf die Enden lassen sich der Dorn und die Feder schnell und leicht durch Abschrauben voneinander entfernen.
Eine Schraubenfeder aus Kohlenstoff-Fasern mit einem Innendurchmesser von etwa 38,1 mm und einem Außendurchmesser von etwa 50,8 mm mit zwei vollständigen Windungen wird gebildet. Der Winkel der Kohlenstoff-Fasern in der Schraubenfeder beträgt etwa plus oder minus 40 . Die Verbundschraubenfeder hat einen Schermodul von etwa
27580 N/mm . Die erhaltene Schraubenfeder hat eine Anfangsfedersteife von 34,15 N/mm, gemessen bei Zusammendrückungsprüfungen. Die Feder wurde häufig ohne Bruch auf eine "kompakte Höhe" (d.h. bis zur Berührung der Windüngen) zusammengedrückt, obwohl die berechnete Scherbeanspruchung bei der kompakten Höhe jenseits ihrer Elastizitätsgrenze lag. Eine anschließende konstante Federsteife von etwa 20,14 N/mm wurde erzielt.
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Claims (24)

  1. VON KREISLER SCHÖNWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER
    PATENTANWÄLTE
    Dr.-Ing. von Kreisler 11973
    Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln
    Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden
    Dr. J. F. Fues, Köln
    Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln
    Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln
    Dipl.-Ing. G. Selting, Köln
    Dr. H.-K. Werner, Köln
    Ke/Ax
    DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF
    D-5000 KÖLN 1 , 8. Jan. 1980
    CELANESE CORPORATION,
    Avenue of the Americas, New York, N.Y. 10036 (U.S.A.)
    Patentansprüche
    .] Verfahren zur Herstellung einer mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfeder, dadurch gekennzeichnet, daß man
    a) eine aus Kohlenstoff-Fasern bestehende Litze, in der Fasern in einem Winkel im Bereich von etwa plus oder minus 30 bis plus oder minus 60° zur Litzenachse ausgerichtet sind, mit einem als im wesentlichen geschlossenes, zusammenhängendes Einbettungsmaterial dienenden nicht-erstarrten Harz tränkt,
    b) die getränkte Litze in eine Nut wickelt, die sich schraubenförmig längs der Oberfläche eines zylindrischen Dorns erstreckt, und hierdurch dem mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfederverbundmaterial
    . die Schraubenform verleiht,
    c) das als Einbettungsmaterial der Schraubenfeder dienende Harz zum Erstarren bringt und
    d) die feste Feder vom Dorn abnimmt.
    0030/0698
    Telefon: (0221) 131041 · Telex: 8882307 dopa d · Telegramm: Dompalenl Köln
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Litze verwendet, deren Orientierungswinkel der Kohlenstoff-Fasern etwa plus oder minus 45° zur Litzenachse beträgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Litze eine Menge von verstärkenden Längsfasern einarbeitet, die in Längsrichtung zur Litzenachse ausgerichtet sind, und hierdurch Änderungen des Winkels der Orientierung der Kohlenstoff-Fasern in der Litze unter Spannung weitgehend ausschaltet.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als verstärkende Längsfasern Kohlenstoff-Fasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyesterfasern, Naturfasern oder Gemische dieser Fasern verwendet.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die verstärkenden Längsfasern in der zu bildenden, mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfeder in einer Menge im Bereich von etwa 5 bis 10 VoI♦-% ver- · wendet.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als Harz ein hitzehärtbares Harz verwendet.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als hitzehärtendes Harz ein Polyesterharz oder Epoxyharz verwendet.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das hitzehärtbare Harz in einer solchen Menge verwendet, daß sein Anteil in der gebildeten, mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfeder im Bereich von etwa 30 bis 50 Gew.-% liegt.
    030030/069Ö
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Dorn mit einer Nut mit im wesentlichen rechteckiger Querschnittsform verwendet.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ntaa einen Dorn mit einer Nut verwendet, deren Seiten abgeschrägt sind, um das Einlegen und die Entfernung der Litze zu erleichtern.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche des Doms innerhalb der Nut mit einem Trennmittel behandelt und hierdurch die Entfernung der gebildeten, mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfeder aus der Nut nach dem Erstarren erleich-
    • tert.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man einen zerlegbaren Dorn verwendet und hierdurch die Abnahme der Schraubenfeder nach dem Erstarren erleichtert.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die harzimprägnierte Litze beim Einlegen in die schraubenförmige Nut des Dorns unter Längsspannung bringt und diese Spannung während des Erstarrens aufrecht erhält.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohlenstoff-Faserlitze so wickelt, daß mehrere Lagen der Litze innerhalb der schraubenförmigen Nut gebildet werden.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man Kohlenstoff-Fasern aus graphitischem Kohlenstoff verwendet.
  16. 16. Mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte, schraubenförmig gewickelte Feder, die die Struktur einer Schraubenfeder aufweist , die aus geflochtenen Kohlenstoff-Fasern (15) und
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    einer Menge eines als im wesentlichen geschlossenes, zusammenhängendes Einbettungsmaterial für die geflochtenen Fasern dienenden Harzes gebildet worden ist, wobei die Kohlenstoff-Fasern in einem Winkel α von etwa plus oder minus 30 bis pl·
    geflochten sind.
    minus 30° bis plus oder minus 60° zur Litzenachse (AA)
  17. 17. Schraubenfeder nach Anspruch 16, weiter dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Menge von verstärkenden Längsfasern (25) aufweist, die in der Litze (10) angeordnet und in Längsrichtung zur Litzenachse (AA) ausgerichtet sind.
  18. 18. Schraubenfeder nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie als verstärkende Längsfasern (25) Kohlenstoff-Fasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyesterfasern, Naturfasern oder deren Gemisch enthält.
  19. 19. Schraubenfeder nach Anspruch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der verstärkenden Längsfasern (25) in dem mit Kohlenstoff-Fasern (15) verstärkten Sehraubenfederverbundmaterial (50) im Bereich von 5 bis 10 Vol.-% liegt.
  20. 20. Schraubenfeder nach Anspruch 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein hitzehärtbares Harz ist.
  21. 21. Schraubenfeder nach Anspruch 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzehärtbare Harz ein Polyesterharz oder Epoxyharz ist.
  22. 22. Schraubenfeder nach Anspruch 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die geflochtenen Kohlenstoff-Fasern (15) in einem Winkel von etwa plus
    achse (AA) ausgerichtet sind.
    in einem Winkel von etwa plus oder minus 45 zur Litzen-
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  23. 23. Schraubenfeder nach Anspruch 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Harzes in der mit Kohlenstoff-Fasern (15) verstärkten Schraubenfeder (50) im
    Bereich von 30 bis 50 Gew.-% liegt.
  24. 24. Schraubenfeder nach Anspruch 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern (15) aus graphitischem Kohlenstoff bestehen.
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DE19803000520 1979-01-15 1980-01-09 Mit kohlenstoff-fasern verstaerkte, schraubenfoermig gewickelte feder und verfahren zu ihrer herstellung Withdrawn DE3000520A1 (de)

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