DE3026124C2

DE3026124C2 -

Info

Publication number: DE3026124C2
Application number: DE3026124A
Authority: DE
Inventors: Frank H. Doyal; Leonard J. Raleigh N.C. Us Doolin
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1979-07-12
Filing date: 1980-07-10
Publication date: 1990-11-08
Also published as: JPS5618136A; GB2056615A; IT1131560B; FR2461163B1; GB2056615B; JPH0319140U; CA1154042A; FR2461163A1; DE3026124A1; IT8023408A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubenfeder nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Her stellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Bei einer aus der JP-A 52-34 161 bekannten Schraubenfeder der gattungsgemäßen Art besteht der Federdraht aus einem Kern, auf den mehrere Faserschichten aufgebracht sind, wobei die Orientierung der Fasern in aufeinanderfolgenden Faserschich ten gegenüber der Mittellinie des Federdrahtes entgegenge setzt ist. Schraubenfedern, die aus einem solchen Federdraht hergestellt werden, haben ein ungünstiges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.

Aus dem DE-GM 18 25 702 ist ein Federungselement mit einem hohlen Kunststoff-Federdraht bekannt. Der Federdraht wird hierbei Windung an Windung aufgewickelt. Obwohl der Feder draht durch ein Gewebe verstärkt sein kann, wird hierbei in erster Linie die Federungseigenschaft des Kunststoffmaterials ausgenützt.

Aus der DE-OS 23 34 971 ist eine Schraubenfeder bekannt, die dadurch hergestellt wird, daß ein verdrilltes Kohlenstoff fasertau mit einem Harz beschichtet, auf einen Metallstab ge wickelt und durch Erhitzen ausgehärtet wird. Durch das Ver drillen des Kohlenstoffasertaus ergeben sich unterschiedliche Orientierungswinkel der einzelnen Kohlenstoffasern, wobei der Orientierungswinkel von der Mitte nach außen abnimmt. Ob der Orientierungswinkel dabei so gewählt ist, daß die Fasern im Gebrauch auf Zug oder Druck beansprucht werden, ist nicht angegeben. Durch den unterschiedlichen Orientierungs winkel der Fasern werden diese bei einer Dehnung oder Kompres sion der Schraubenfeder unterschiedlich beansprucht, wodurch die Festigkeitseigenschaften der Kohlenstoffasern ungleichmäßig ausgenützt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schrauben feder der gattungsgemäßen Art das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei das Verfahren zur Herstellung der erfindungsge mäßen Schraubenfeder Gegenstand des Patentanspruchs 3 ist.

Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbeson dere in dem geringen Gewicht der erfindungsgemäßen Schrauben feder gegenüber Stahl-Schraubenfedern, was insbesondere in der Automobilindustrie von Bedeutung ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Schraubenfeder in Seitenansicht und teil weise im Schnitt zur Darstellung des Orien tierungswinkels der Fasern;

Fig. 2 bis 4 die einzelnen Faserschichten, aus denen der Federdraht der Schraubenfeder gewickelt wird, wobei die zunächst unterschiedlichen Orien tierungswinkel der Fasern erkennbar werden;

Fig. 5 in perspektivischer Darstellung und teilweise im Schnitt den Federdraht, wobei die Unter schiede in den Orientierungswinkeln der Fasern der einzelnen Faserschichten zum leichteren Verständnis übertrieben dargestellt sind;

Fig. 6 im Schnitt die um den Dorn gewickelten Faser schichten;

Fig. 7 in einer schematischen Darstellung das Winden des Federdrahtes um einen Dorn unter gleich zeitigem Verdrillen des Federdrahtes und

Fig. 8 einen Schnitt von 8-8 von Fig. 7.

In der Zeichnung ist eine Schraubenfeder 10 dargestellt, die aus einem rohrförmigen, schraubenförmig gewundenen Federdraht 20 besteht, der durch endlose, gleich gerichtete Fasern 11 verstärkt ist, wobei im wesentlichen alle endlosen Fasern 11 im wesent lichen im gleichen Orientierungswinkel R in bezug auf die Mittellinie 12 des rohrförmigen Federdrahtes 20 ausgerichtet sind.

Die endlosen, gleich gerichteten Fasern 11 bestehen aus typischem Faserverstärkungsmaterial, beispielsweise Bor, Kohlenstoff, Graphit, Glas, Polyamiden und Mischungen hieraus. Vorzugsweise bestehen die Fasern jedoch aus Kohlenstoff und Graphit und sie sind insbesondere Kohlenstoff- und Graphitfasern mit einem Young-Modul von etwa 220 GPa und einer Zugfestigkeit von 2,76 GPa oder größer.

Die endlosen, gleichge richteten Fasern 11 sind in eine Harzmatrix eingebettet. Grundsätzlich kann jedes Harz Verwendung finden, obwohl man bevorzugt eine Harzmatrix aus einem wärmeaushärtenden Harz einsetzt.

Als wärmeaushärtende Harzmaterialien sind Epoxy- und Polyesterharze geeignet. Die geläufigsten Epoxyharzverbindungen sind die jenigen des Epichlorhydrins und Bisphenols und dessen Ho mologe. Typische Polyester sind Polyterphthalate, wie Polyäthylenterphthalat.

Der Anteil der Kohlenstoffasern 11 in dem Harz liegt im allge meinen in dem Bereich von etwa 50 bis 65 Vol.-% Fasern in der Harzmatrix und vorzugsweise zwischen etwa 60 bis 65 Vol.-% Fasern in einer Epoxyharzmatrix.

Die Größe und Richtung des Orientierungswinkels R der gleich gerichteten, endlosen Fasern 11 in der Schraubenfeder 10 hängt von verschiedenen Faktoren ab, z. B. dem Ver wendungsbereich, in welchem die Schraubenfeder 10 eingesetzt wird, der Steigung und der Richtung der Steigung der Schraubenfeder 10, dem mittleren Schraubenfederdurchmesser und dem Durch messer des rohrförmigen Federdrahtes 20 wird die Schraubenfeder 10 als Druckfeder eingesetzt, beispielsweise bei der Radaufhängung eines Fahrzeuges, so sind die Fasern 11 so ausgerichtet, daß die Scherbelastung auf die Schraubenfeder 10 die Fasern 11 auf Zug beansprucht. Für Anwendungs bereiche, in welchen die Schraubenfeder 10 gedehnt wird, d. h., wenn sie unter Zugbelastung steht, sind die Fasern 11 entgegengesetzt ausgerichtet, daß die Scherbelastung auf die Schraubenfeder 10 die Fasern 11 ebenfalls auf Zug beansprucht werden. Im allgemeinen liegt die Größe des Orientierungs winkels der endlosen, gleichgerichteten Fasern 11 zwischen 15° und 75° und vorzugsweise zwischen 30° und 60° zur Mittellinie 12 des schraubenförmig gewundenen, rohr förmigen Federdrahtes 20. Für die Aufhängung eines Motorfahrzeuges ist ein Orientierungswinkel zwischen 43° und 47° besonders geeignet.

Die Schraubenfeder 10 wird aus einzelnen Schichten gleichgerichteter Kohlenstoff- oder Graphitfasern hergestellt, die mit einem wärmeaushärtendem Harz imprägniert sind. Eine Anzahl solcher Faserschichten wird zu nächst in einem Muster ausgeschnitten. Normaler weise werden drei Faserschichten 14, 15, 16 zur Herstellung der Schraubenfeder 10 verwendet. Dementsprechend bezieht sich die nachfolgende Beschreibung auf ein Ausführungs beispiel mit drei Faserschichten 14, 15, 16.

Jeder der drei Faserschichten 14, 15, 16 ist in Form eines Rechteckes ausgeschnitten. Wie die Fig. 2 bis 4 zeigen, ist die Länge des Rechteckes der drei Faserschichten 14, 15, 16 gleich. Dabei entspricht die Länge der rechteckigen Faserschichten 14, 15, 16 mindestens der des Federdrahtes 20. Im allgemeinen ist die Breite einer jeden Faserschicht anders. Wie sich aus den Fig. 2 bis 4 ergibt, ist die Breite W ₁ der Faserschicht 14 geringer als die Breite W ₂ der Faserschicht 15, welche wiederum geringer ist als die Breite der Faserschicht 16.

Jede der Faserschichten 14, 15, 16 enthält endlose, gleich gerichtete Fasern 11, die in einem bestimmten Winkel zur Längsachse der betreffenden Faserschicht 14, 15 oder 16 aus gerichtet sind.

Bei der Herstellung der Schraubenfeder 10 wird zunächst der rohr förmige Federdraht 20 geformt, indem man aufeinanderfolgend die einzelnen harzimprägnierten Faserschichten 14, 15 und 16 um einen Dorn 17 herumlegt, auf dem sich ein flexibles, rohr förmiges Element 18 befindet, das beispielsweise ein Gummi schlauch sein kann und den Dorn 17 umgibt. Der Durchmesser des Dornes 17 mit dem flexiblen, rohrförmigen Ele ment 18 ist so groß, wie es für den angestrebten Durchmesser des rohr förmigen Federdrahtes 20 notwendig ist. Da die Faserschichten 14, 15 und 16 aufeinanderfolgend um den Dorn 17 mit dem Gummischlauch 18 gelegt werden, müssen die Breiten W ₁, W ₂ und W ₃ zweckmäßig so groß sein, daß sie zumindest eine vollständige Umwicklung um den Dorn 17 bilden, um welchen die jeweils vorangehende Faserschicht 14 oder 15 bereits herumge legt ist. Vorzugsweise wird die Breite einer jeden Faserschicht 14, 15, 16 so ausgewählt, daß sie jeweils im wesentlichen die gleiche Anzahl von vollständigen Umwicklungen um den Dorn 17 bildet.

Das Wickeln der Faserschicht 14, 15 und 16 um den Dorn 17 und den Gummischlauch 18 wird in einer sehr einfachen Weise erreicht, indem man den Dorn 17 mit dem Gummischlauch 18 entlang der Unterkante der Faserschicht 14 anordnet und hierauf den Dorn 17 und Faserschicht 14 rollt, wie dies durch den Pfeil 19 in Fig. 5 angegeben ist. Jede der nachfolgenden Faserschichten 15, 16 wird so auf den Dorn 17 aufgebracht.

Nachdem die drei Faserschichten 14, 15, 16 um den Gummi schlauch 18 herumgelegt sind, wird der Stahldorn 17 entfernt, so daß ein faserverstärktes, rohrförmiges Harzelement mit einem Gummischlauch in der Mitte zurückbleibt, das den Federdraht 20 bildet, der zur Herstellung der Schraubenfeder 10 einge setzt wird. Dieser Federdraht 20 wird gemäß Fig. 7 schraubenförmig um einen Dorn 21 herumge legt, der schraubenförmige Nuten 22 auf seinem Umfang trägt, deren Breite und Tiefe an den Durchmesser des Federdrahtes 20 angepaßt ist. Die Steigung der schrauben förmigen Nuten 22 hängt von der gewünschten Federsteigung ab. Ebenso hängt der Durchmesser des Dornes 21 von dem gewünschten Schraubenfederdurchmesser ab.

Während des Wickelns des Federdrahtes 20 um den Dorn 21 wird auf den Federdraht 20 ein entsprechender Drall ausgeübt, so daß die Fasern 11 in dem Federdraht 20 alle auf einen vorgegebenen Orientierungswinkel R zur Mittellinie 12 des Federdrahtes 20 ausgerichtet werden. Die Richtung und das Ausmaß des Dralles hängen natürlich von dem Orientierungswinkel der gleichgerichteten Fasern 11 in den noch ebenen Faserschichten 14, 15 und 16 ab, die zur Herstellung des Federdrahtes 20 verwendet werden. Die Drallrichtung wird so gewählt, daß die gewünschte Faser ausrichtung in der Schraubenfeder 10 mit einer minimalen Ver schiebung der Fasern aus ihrer Ausrichtung in dem Federdraht 20 in die Ausrichtung in der fertigen Schraubenfeder 10 erreicht wird.

Wie bereits erwähnt, sind die flachen Faserschichten 14, 15 und 16 jeweils so ge schnitten, daß ihre endlosen, gleichgerichteten Fasern 11 je weils in speziellen Orientierungswinkeln R ₁, R ₂ und R ₃ zur Längsseite der flachen Faserschichten 14, 15, 16 ausgerichtet sind. R ₁, R ₂ und R ₃ werden so ausgewählt, daß dann, wenn die Faserschichten 14, 15 und 16 zu dem Federdraht 20 geformt sind, nach dem Wickeln des Federdrahtes 20 auf den Dorn 21 die gleichgerichteten, endlosen Fasern innerhalb der jeweiligen Schichten 14, 15 und 16 in dem gewünschten Winkel R der Schraubenfeder 10 ausgerichtet sind. Sollen z. B. die endlosen Fasern 11 in einem Winkel von 45° zur Mittellinie des Federdrahtes 20 ausge richtet sein, so besitzen die gleichge richteten Fasern 11 der Faserschicht 14 einen Orientierungs winkel von 40°, die Fasern 11 der Faserschicht 15 einen von 36° und die Fasern 11 der Faserschicht 16 einen von 33° zur Längsseite der jeweiligen Faserschicht 14, 15 oder 16.

Die Winkel R ₁, R ₂ und R ₃ werden selbstverständlich in Abhängig keit von dem angestrebten Orientierungswinkel R gewählt, den die Fasern 11 in der Schraubenfeder 10 haben sollen und von dem Ausmaß des Dralles, der während des Aufwickelns des Federdrahtes 20 aufgebracht wird. Im einzelnen wird die Änderung des Orientierungswinkels der Fasern 11 in einer jeden Faserschicht 14, 15, 16, wenn der Federdraht 20 pro Windung um eine vollständige Umdrehung verdrillt wird, durch die folgende Gleichung ange geben:

ΔR = arc tan ^r/_R

wobei
ΔR = Winkeländerung
r = Radius des Drahtes
R = Radius der Feder.

Aus der vorangehenden Gleichung ergibt sich, daß das Verdrillen des Federdrahtes 20 eine umso größere Änderung des Orientierungs, winkels der Fasern 11 einer Faserschicht 14, 15, 16 bewirkt, je größer der Abstand der Faserschicht 14, 15, 16 von der Mittellinie 12 des Federdrahtes 20 ist. Nimmt man beispielsweise einen Schraubenfederradius von 76,2 mm und einen Radius von 12,7 mm von der Mitte der äußeren Faserschicht 16 des Federdrahtes 20 an, so ist die Änderung des Orientierungs winkels der Fasern 11 in dieser äußeren Faserschicht 16 aus ihrer ur sprünglichen Lage in ihre endgültige Lage nach einer Um drehung pro Windung 9,5°, da ΔR = arc tan ^12,7/_76,2 = 9,5°.

Wenn der Radius des Federdrahtes 20 in einer inneren Federschicht 14 oder 15 6,35 mm beträgt, dann werden die Fasern 11 in dieser inneren Faserschicht 14 oder 15 unter den gleichen Umständen um einen Winkel von 4,8° gedreht, da ΔR = arc tan ^6,35/_76,2 = 4,8°.

Aus Fig. 7 ergibt sich beispielsweise, daß die Fasern 11 der äußeren Faserschicht 16 vor der Verdrillung in einem Winkel R ₃ zur Mittellinie 12 des Federdrahtes 20 ausgerichtet sind. Nach der durch den Pfeil 25 angegebenen Verdrillung beim Umwickeln des Dornes 21 sind alle Fasern 11 des Federdrahtes 20 im wesent lichen in dem gewünschten Winkel R ausgerichtet.

Nach dem Aufwickeln des Federdrahtes 20 um den Dorn 21, wird der Draht 20 durch ein Formwerkzeug oder durch Umwickeln mit einem Zelluloseacetat-Band gehalten. So kann bei spielsweise der Draht auf dem Dorn 21 durch ein entsprechendes Werkzeug festgehalten werden. Der Gummi schlauch 18 innerhalb des Federdrahtes 20 wird unter Druck gesetzt, um das Fließen des Harzes zu erleichtern und das Harz während des Härtens zu verdichten. Im allgemeinen liegt der Druck zwischen 2,4 und 5,9 bar, insbesondere zwischen 4,5 und 5,2 bar. Die gesamte Anordnung wird dann erhitzt, um das Harz auszuhärten. Die Er wärmungstemperatur hängt von der Art des Harzes ab und liegt für Epoxyharz im Bereich von etwa 100°C bis etwa 180°C und zweckmäßig bei etwa 120°C. Ebenso hängt auch die Er hitzungszeit sowohl von den Aushärtungstemperaturen als auch von der verwendeten Harzart ab.

Nach dem Erwärmen der Anordnung läßt man diese zunächst auf Raumtemperatur abkühlen und entfernt dann das Zellulose acetat-Band so wie den Gummischlauch 18 und den Dorn 21. Die Endkanten 31 und 32 des Federdrahtes 20 können gewünschtenfalls durch Schneiden abgeschrägt werden.

Eine Schraubenfeder 10 für die Fahrzeugaufhängung besteht z. B. aus sechs Windungen mit einer freien Federhöhe von 460 mm und hat einen Durchmesser von 160 mm. Der rohrförmige Federdraht 20 der Schraubenfeder 10 besitzt einen äußeren Durchmesser von 25,4 mm und einen inneren Durchmesser von 12,7 mm. Der Orientierungswinkel R der endlosen Kohlenstoffasern 11 liegt im Bereich von etwa 43 bis 47° und vorzugsweise bei 45°.

Claims

1. Schraubenfeder aus einem schraubenförmig gewundenen Feder draht (20), der durch einzelne harzimprägnierte Faserschich ten (14, 15, 16) aus endlosen, gleichgerichteten Fasern (11) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Federdraht (20) rohrförmig ist und
daß die Fasern (11) der einzelnen Faserschichten (14, 15, 16) im wesentlichen den gleichen Orientierungswinkel zur Mittellinie (12) des Federdrahtes (20) aufweisen und die Orientierung der Fasern (11) derart ist, daß unter Einsatz bedingungen die Scherbelastung der Schraubenfeder die Fasern (11) auf Zug beansprucht.

3. Schraubenfeder nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fasern (11) aus Kohlenstoff be stehen, daß der Federdraht (20) 50 bis 65 Vol.-% Kohlen stoff-Fasern eingebettet in das Harz enthält und daß der Orientierungswinkel etwa 30° bis 60° beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder nach An spruch 1 oder 2, wobei der Federdraht (20) durch Wickeln von Faserschichten (14, 15, 16) um ein flexibles, rohr förmiges Element (18), gebildet wird und um einen Dorn (21) gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Herstellung des Federdrahtes (20) die Fasern (11) der Faserschichten (14, 15, 16) in einer Richtung zur Mittelachse des rohrförmigen Elements (18) ausgerichtet sind, die von der gewünschten Orientierungsrichtung in der Schraubenfeder abweicht,
daß beim Wickeln des Federdrahtes (20) um den Dorn (21) gleichzeitig der Federdraht (20) um einen solchen Winkel verdreht wird, daß die Fasern (11) den angestrebten Orien tierungswinkel einnehmen, und
daß der Federdraht (20) nach dem Aufwickeln auf den Dorn (21) mit einem äußeren Formkörper umgeben wird, das rohr förmige Element (18) innerhalb des Federdrahtes (20) aufge blasen wird und danach der Federdraht (20) bei erhöhter Temperatur ausgehärtet wird, worauf nach dem Entfernen des äußeren Formkörpers die faserverstärkte Schraubenfeder er halten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Faserschichten (14, 15, 16) die gleiche Länge, jedoch aufeinanderfolgend jeweils eine größere Breite besitzen, wobei die Breite so gewählt ist, daß die Faser schicht (14, 15 oder 16) mindestens einmal vollständig um den Kern (17, 18) und gegebenenfalls vorangehend angeordnete Faserschichten (14 oder 15) umgreift, und der Orientierungs winkel der Fasern (11) einer jeden Faserschicht (15, 16) größer ist als die Orientierungswinkel der vorangehenden Faserschichten (14 oder 15).

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Federdraht (20) pro Windung der Feder um eine vollständige Umdrehung verdrillt wird.