DE3150479C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Blattfeder, hergestellt aus faserverstärktem Kunststoff, umfassend einen Hauptkörper und eine Rippe.

Herkömmliche in Fahrzeugfedersystemen etc. verwendete Blattfedern sind hauptsächlich aus Stahl hergestellt. Zur Erzielung leichterer Blattfedern wird jedoch Stahl als Federwerkstoff durch faserverstärkten Kunststoff ersetzt. Bei einer Stahlblattfeder nach dem Stande der Technik, welche über ihre Länge einen gleichbleibenden Elastizitätsmodul besitzt, kann die Querschnittskonfiguration lageabhängig geändert sein, um eine gleichförmige Spannungsverteilung ohne Verursachung irgendeiner Dimensionierungsschwierigkeit sicherzustellen.

Für gleichförmige Spannungsverteilung ist es sogar bei einer Blattfeder aus faserverstärktem Kunststoff erforderlich, ihre Querschnittskonfiguration lageabhängig zu verändern, beispielsweise durch Verjüngung. Bei einem Verfahren für kontinuierliche Herstellung von Blattfedern aus faserverstärktem Kunststoff durch kontinuierliches Extrudieren einer Mischung aus Fasern und Harz, welches die beste Massenherstellungseignung besitzt, ist es notwendig, die Zunahme und Abnahme der verwendeten Fasermenge und Harzmenge kontinuierlich zu wiederholen, um die Querschnittskonfiguration wie vorstehend erwähnt, zu variieren. In einer solchen kontinuierlichen Fertigung sind jedoch die verwendeten Fasern endlos, so daß es unmöglich oder sehr schwierig ist, die Zunahme und Abnahme der Fasermenge kontinuierlich zu wiederholen. Sogar wenn nur die Harzmenge zu variieren ist, setzt die gleichbleibende Menge der benutzten Fasern der Veränderung der Menge des benutzten Harzes Grenzen. Darüber hinaus muß die durch eine Heizvorrichtung erzeugte Wärmemenge kontinuierlich entsprechend der Harzmenge geändert werden. In jedem Falle ist die Konstruktion der Vorrichtung wie auch deren Steuerung in gewissem Maße kompliziert. Obwohl nur die Fasernmenge verändert werden kann, läßt sich der Elastizitätsmodul der Blattfeder über die Länge nicht gleichbleibend halten, wenn nicht der Faserngehalt an jeder Stelle ihrer Länge gleichbleibend ist. Demgemäß kann die Konstruktionsberechnung der Komplizierung nicht abhelfen.

Bei gleichbleibendem Querschnitt ändert sich die Blattfeder, wie eine in Fig. 10 gezeigte bekannte Blattfeder vom Corvette-Typ, in ihrer Breite, wenn ihre Dicke geändert wird. Falls der Endbereich der Feder verdünnt wird, nimmt deren Breite zu, was zu einer Vergrößerung der Teile des Federungssystems führt, wodurch die Anbringung derselben verhindert wird oder ein Eingreifen mit einer Schneekette od. dgl. verursacht wird, was zu einer Behinderung einer gleichförmigen Spannungsverteilung führt (Fig. 10)

Eine bekannte Glasfaser-Kunstharzfeder (DE-PS 12 31 967), die insbesondere für Kraftfahrzeuge bestimmt ist, wurde unter Zugrundelegung der Aufgabe konzipiert, die Nachteile der üblicherweise im Kraftfahrzeugbau benutzten Stahlblattfedern, nämlich hohes Gewicht, ständiges Wartungserfordernis, Geräuschbildung durch Reibung zwischen einzelnen Federblättern und ungünstiger Einfluß der bei mehreren Federblättern vorliegenden Reibungsdämpfung auf die Federeigenschaften, zu vermeiden. Zu diesem Zweck besteht die bekannte Blattfeder aus einem einzelnen Federblatt, bei dem die an der Ober- und Unterseite des Blattes liegenden Glasfaserstränge während des Aushärtens des verwendeten Kunststoffs gestreckt sind. Die Dicke des Einzelfederblattes verringert sich ausgehend von einem Maximum in der Mitte zu den Federenden hin. Eine Gliederung in einen Hauptkörper und eine Rippe fehlt. Über den Breitenverlauf der Einzelblattfeder finden sich keinerlei Angaben. Wollte man die bekannte Feder jedoch mit einer über ihre Länge durchgehenden gleichbleibenden Querschnittsfläche ausgestalten, so müßte sie sich wegen ihrer Dickenabnahme zu den Enden hin ganz erheblich verbreitern. Damit aber wären die Nachteile gegeben, die vorstehend bezüglich der bekannten Blattfeder vom Corvette-Typ angegeben sind, nämlich große und schwere Federböcke und Laschen zur Verbindung der Federenden mit dem Kraftfahrzeug und dadurch ein für die Unterbringung des benachbarten bereiften Fahrzeugsrades störender Raumbedarf.

Bei einer bekannten Endblatt-Stahlfeder (GB-PS 10 99 136) sollen die Kosten vorbekannter Blattfedern bei unveränderter Funktionstüchtigkeit verringert werden. Hierzu wird bei vorgegebener Breite und Dicke der mittlere Bereich der Blattfeder zu Flanschen umgebogen, wodurch eine Verringerung der Blattfederbreite in diesem Bereich gegenüber den Endbereichen im Sinne einer "Taillierung" eintritt. An den Enden ist die bekannte Blattfeder gewalzt, wodurch ihre Dicke in diesen Bereichen gegenüber ihrer Dicke im Bereich der Flansche abnimmt, um eine gleichmäßige Spannungsverteilung in der Blattfeder zu erzielen. Eine derartige Walzbehandlung ist natürlich bei einer Stahlblattfeder möglich, nicht dagegen bei einer Blattfeder aus faserverstärktem Kunststoff. Prinzipiell besitzt auch diese bekannte Blattfeder die bereits erwähnten, aus den verbreiterten Endbereichen herrührenden Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Blattfeder aus faserverstärktem Kunststoff bereitzustellen, welche im wesentlichen bei einer gleichförmigen Spannungsverteilung ohne Verbreiterung der Endbereiche leicht herstellbar ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer aus faserverstärktem Kunststoff hergestellten und einen Hauptkörper sowie eine Rippe umfassenden Blattfeder dadurch gelöst, daß der Hauptkörper einen verjüngten Bereich besitzt, dessen Verjüngung durch eine kontinuierliche Dickenänderung des Hauptkörpers entlang seiner Längsrichtung zur Mitte hin gegeben ist, daß die Rippe einteilig von dem Hauptkörper in dessen Dickenrichtung vorspringt und sich entlang der Längsrichtung des Hauptkörpers erstreckt und daß die Gesamtquerschnittsflächengröße von Hauptkörper und Rippe sowie die Breite des Hauptkörpers an jeder Stelle entlang der Längsrichtung im wesentlichen gleichbleibend sind.

Die Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß ein Verjüngungsbereich mit sich im Verhältnis zu seiner Länge ändernder Dicke und eine integrale Längsrippe am Hauptkörper einer Blattfeder mit im wesentlichen gleichbleibender Breite ausgebildet sind und daß die Querschnittsfläche der Rippe zu derjenigen des Hauptkörpers so ins Verhältnis gesetzt ist, daß die Gesamtflächengröße von Hauptkörper und Rippe im wesentlichen an jeder Stelle entlang der Längsrichtung gleichbleibend ist. Es wird daher eine Blattfeder bereitgestellt, die sich durch Leichtbauweise bei gleichförmiger Spannungsverteilung auszeichnet, den Vorzug eines geringen Raumbedarfs besitzt, keine im Betrieb auftretenden Störungen mit irgendeinem benachbarten Bauteil oder -glied, wie z. B. Bremsschlauch und Stoßdämpfer, hervorruft, wegen ihrer im wesentlichen gleichbleibenden Breite zur einfachen Massenproduktion als faserverstärktes Kunststoffteil mit gleichbleibendem Elastizitätsmodul befähigt ist und besonders geeignet für die Verwendung in einem Fahrzeugfedersystem und dgl. ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen in Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 und 2 eine Seitenansicht bzw. eine Untersicht einer Blattfeder entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung,

Fig. 3, 4 und 5 Schnitte entlang der Linien III-III bzw. IV-IV bzw. V-V der Fig. 2,

Fig. 6(A), 6(B), 6(C) Schnitte zur Veranschaulichung von Modifikationen der Hauptteile der Blattfeder,

Fig. 7 eine Seitenansicht betreffend eine andere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 und 9 Diagramme zur Veranschaulichung der Verteilung des Trägheitsmoments und Widerstandsmoments und

Fig. 10(A) und 10(B) Seitenansicht bzw. Draufsicht einer Blattfeder des Corvette-Typs nach dem Stande der Technik.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 wird jetzt eine Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben. Dort ist eine Blattfeder 1 dargestellt, die einteilig aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist und einen bandförmigen Hauptkörper 2 und eine Rippe 3 besitzt, welche sich entlang der Längsrichtung erstreckt und in Richtung der Dicke der Blattfeder 1 vorspringt. Die Blattfeder 1 ist so ausgebildet, daß ihr Basisabschnitt 4 durch geeignete Mittel (nicht dargestellt) gestützt werden kann, wie z. B. durch ein Fahrzeugfederungssystem, und daß ihr freier Endabschnitt 5 mit der Karosserieseite eines Fahrzeuges mittels eines die Last P tragenden Augenteils 6 verbunden werden kann. Das Augenteil 6 kann aus einem Metallglied getrennt vom Hauptkörper 2 geformt und daran durch einen Bolzen befestigt sein oder aus einem mit dem Hauptkörper 2 einteiligen Kunststoffglied.

Der Hauptkörper 2 besitzt eine im wesentlichen gleichbleibende Breite B über seine effektive Länge l₀ und auch eine im wesentlichen gleichbleibende Dicke t₁ und t₀ in Bereichen, die den Bereichen einer Länge l₃ am Basisabschnitt 4 bzw. einer Länge l₁ am freien Endabschnitt 5 entsprechen. Ein verjüngter Bereich 7, der sich in Richtung auf den Basisabschnitt 4 verjüngt, erstreckt sich entsprechend einer Länge l₂ zwischen dem Basisabschnitt 4 und dem freien Endabschnitt 5.

Die Rippe 3 besitzt eine im wesentlichen gleichbleibende Breite b über ihre wirksame Länge l₀ und auch eine im wesentlichen gleichbleibende Dicke T₀ am Basisabschnitt 4. Ein verjüngter Bereich 8, der sich in Richtung auf den freien Endabschnitt 5 verjüngt, erstreckt sich entsprechend der Länge l₂.

In der Blattfeder 1 ist die Querschnittsfläche b(T _x -t _x ) der Rippe 3 so ins Verhältnis gesetzt zu der Querschnittsfläche Bt _x des Hauptkörpers 2, daß die Gesamtquerschnittsflächengröße Bt _x +b(T _x -t _x ) des Hauptkörpers 2 und der Rippe 3 im wesentlichen über die wirksame Länge l₀ gleichbleibend ist (s. Fig. 4). Unter Benutzung der gezeigten Symbole gilt:

Bt ₀=Bt _x +b(T _x -t _x ) =Bt ₁+bT ₀. (1)

Zum leichteren Verständnis sei angenommen, daß B, b, t₀, t₁ und T₁ konstant sind und α =T₀/T und β =b/B gegeben sind. Dann kann Gleichung (1) wie folgt geschrieben werden:

t ₀=(1-β )t _x +b T _x =t ₁+αβ T. (2)

Aus Gleichung (2) kann erhalten werden:

t₀/t =1+αβ-α. (3)

Wie aus den Gleichungen (1) oder (2) ersichtlich ist, sind die Dicke t _x der Hauptkörper 2 und die Gesamtdicke T _x der Blattfeder 1 in einem Abstand x (l₁ x l₁+l₂) von der Mitte des Augenteils 6 homogene Funktionen von x. Falls die verjüngten Bereiche des Hauptkörpers 2 und der Rippe 3 geradlinig verjüngt sind, so daß die Gesamtdicke T _x ausgedrückt werden kann durch

T _x =t ₀+(T-t ₀) (x-l ₁)/l ₂, (4)

dann ergibt sich die Dicke t _x durch

t _x =t ₀-αβ T(x-l ₁)/l ₂, (5)

weil die Querschnittsfläche der Blattfeder 1 gleichbleibend ist. Die Dicke solcher verschiedenen Bereiche der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Blattfeder 1 sind daher festgelegt in Übereinstimmung mit den Gleichungen (3), (4) und (5).
Hinweis: Nachweis der Gleichung (5)

Da die Querschnittsfläche der Blattfeder gleichbleibend ist gilt

Bt ₀=Bt _x +b(T _x -t _x ) =(B-b)t _x +bT _x .

Ersetzt man die rechte Seite von Gleichung (4) für T _x in dieser Gleichung, wird erhalten

Bt ₀=(B-b)t x+b[t ₀+(T-t ₀) (x-l ₁)/l ₂],

und daraus

Ersetzt man (t₁+αβ T) aus Gleichung (2) für t₀ in dieser Gleichung, erhalten wir

Da T = und T-t₁=T₀ ist, wie aus Fig. 5 hervorgeht, erhalten wir

Als ein Ergebnis erhalten wir

t _x =t ₀-αβ T(x-l ₁)/l ₂. (5)

Das Verhältnis des Trägheitsmoments I₀ am freien Endabschnitt 5 der Blattfeder 1 zum Trägheitsmoment I am Basisabschnitt 4 und das Verhältnis des Widerstandsmoments Z₀ am freien Endabschnitt 5 zum Widerstandsmoment Z am Basisabschnitt 4 läßt sich unter Verwendung der vorstehend definierten Symbole angeben als

bzw.

Hier gilt:
Δ = 4 [1-α (1-b )] [(1-α ) ³ (1-β ) + β ]-3 [(1-α ) ² (1-b ) +β] ² (8)

Die Fig. 8 und 9 zeigen die Beziehung zwischen α und den Verhältnissen I₀/I und Z₀/Z mit β als ein Parameter. Wie aus diesen Diagrammen ersichtlich ist, können die Verhältnisse I₀/I und Z₀/Z selektiv über einen weiten Bereich festgelegt werden durch geeignete Festlegung der Werte α und β.

Wenn die vertikale Kraft P auf das freie Ende der kragarmförmigen Feder zur Einwirkung gebracht wird, wird das Biegemoment M in einem Abstand X von dem festen Ende ausgedrückt durch
M =-P(l-x),
und das maximale σ der durch das Biegemoment M hervorgerufenen Biegespannung ist

σ = | - P(l-x) | / Z (9)

Da Z geändert werden kann entsprechend der Änderung des Abstandes x, kann der Wert σ der Gleichung (9) in jeder Lage gleichbleibend gehalten werden. Daher kann ein Kragarm mit gleichförmiger Spannung erzielt werden. Es entspricht dem Erfindungsgedanken, daß Z geändert werden sollte, während die Breite B im wesentlichen konstant gehalten und T _x , t _x und b variiert werden. Dasselbe gilt für I.

Dementsprechend kann die Spannungsverteilung gleichförmig gestaltet werden, und die erhaltene Blattfeder kann im Gewicht verringert werden. Es ist darüber hinaus möglich, Blattfedern aus faserverstärkten Kunststoffen mit gleichbleibendem, der gleichbleibenden Querschnittsfläche zuzuschreibenden Elastizitätsmodul in Massenproduktion herzustellen.

Beispielsweise wurde eine Blattfeder mit einer Federkonstanten von 8 kg/mm aus faserverstärktem Kunststoff mit einem Elastizitätsmodul E von 4200 kg/mm² und einem spezifischen Gewicht γ von 1,92 hergestellt, wobei l₀=570 mm und P =1300 kg verwendet wurden. Die maximale Spannung σ (kg/mm²) und das Gesamtgewicht W (kg) dieses Beispiels wurden erhalten unter Verwendung von B =60 und T =28, wie in Abschnitt A der nachfolgenden Tabelle gezeigt ist.

In dieser Tabelle repräsentieren die Abschnitte B und C Vergleichsbeispiele, hergestellt aus faserverstärktem Kunststoff mit denselben Materialeigenschaften wie das vorangehende Beispiel. Das Beispiel B ist eine verjüngte Feder mit einer rechtwinklig gehaltenen Querschnittskonfiguration und gleichbleibender Querschnittsfläche, während das Beispiel C eine zusammengesetzte Struktur ist, erhalten durch Kombination von zwei Blattfedern, von denen jede eine gleichbleibende Breite (60 mm) und eine gleichbleibende Dicke (18 mm) besitzt. Im Beispiel B sind die Breite und Dicke des Basisabschnittes 60 mm bzw. 26 mm, während die Breite des freien Endabschnittes so groß wie 152 mm ist. Weiterhin sind sowohl die maximale Spannung als auch das Gewicht des Beispiels B größer als diejenigen des Beispiels A, und diejenigen des Beispiels C sind noch größer. In der Tabelle repräsentiert Abschnitt D ein aus Stahl hergestelltes Beispiel (E =21 000 kg/mm², γ =7,85) in Übereinstimmung mit den vorbezeichneten Bedingungen. Dieses Beispiel wurde hergestellt durch Zusammenfassen von neun Blattfedern, jede mit gleichbleibender Breite (60 mm) und gleichbleibender Dicke (7 mm) (ungleich in der Länge).

Die Breite b der Rippe 3 muß nicht immer gleichbleibend sein, sondern kann in ihrer Längsrichtung variieren, wie in den Fig. 6(A), 6(B) und 6(C) veranschaulicht ist. Auch kann, wie in Fig. 7 dargestellt ist, die Blattfeder 1 entsprechend der Erfindung zusammengefaßt sein mit einer anderen Blattfeder 10, hergestellt aus Stahl oder faserverstärktem Kunststoff.

Claims (4)

1. Blattfeder, hergestellt aus faserverstärktem Kunststoff, umfassend einen Hauptkörper und eine Rippe, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkörper (2) einen verjüngten Bereich (7) besitzt, dessen Verjüngung durch eine kontinuierliche Dickenänderung des Hauptkörpers entlang seiner Längsrichtung zur Mitte hin gegeben ist, daß die Rippe (3) einteilig von dem Hauptkörper in desssen Dickenrichtung vorspringt und sich entlang der Längsrichtung des Hauptkörpers erstreckt und daß die Gesamtquerschnittsflächengröße von Hauptkörper und Rippe sowie die Breite (B) des Hauptkörpers an jeder Stelle entlang der Längsrichtung im wesentlichen gleichbleibend sind.

2. Blattfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) der Rippe (3) gleichbleibend ist.

3. Blattfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rippe (3) entlang der Längsrichtung allmählich geändert ist.

4. Blattfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe (3) an jeder Seite des Hauptkörpers (2) quer zur Breite desselben gebildet ist.