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Blattfeder aus faserverstärkten Kunststoffen
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Die Erfindung betrifft eine Blattfeder mit mindestens einem aus faserverstärktem
Kunststoff hergestellten Federblatt, das in seinem Verjüngungsbereich eine gleichbleibende
Gesamtbreite, Querschnittsfläche und Spannungsverteilung aufweist.
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Es handelt sich somit um Blattfedern aus faserverstärkten Werkstoffen,
insbesondere solche mit in einer Richtung verlaufenden Endlosfasern, bei denen die
Blattbreite und die Querschnittsfläche des Federkörpers über die Blattlänge im wesentlichen
gleichbleibend sind, und die Biegespannungen im Federblatt, durch eine kontinuierliche
Veränderung der Querschnittsform, über die gesamte Blattlänge oder nur in Teilbereichen,
annähernd gleiche Größe haben. Solche, auch als Körper gleicher Biegefestigkeit
bezeichnete Blattprofile haben gegenüber Blattfedern mit durchgehend gleichgroßem
Rechteckprofil den Vorteil, daß das eingesetzte Materialvolumen besser ausgenutzt
wird, wodurch die Blattfeder leichter gemacht werden kann.
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Bei homogenem Werkstoff, z. B. Metall entfällt die Forderung nach
gleicher Querschnittsfläche, so daß Körper gleicher Biegefestigkeit relativ einfach,
durch eine parabelförmige Verjüngung der Blattdicke, bei gleichbleibender Blattbreite,
hergestellt werden können.
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Muß zusätzlich die Forderung nach gleicher Querschnittsfläche erfüllt
werden, so führt eine abnehmende Blattdicke zwangsläufig zu einer zunehmenden Verbreiterung
des Federblattes, solange der Blattquerschnitt unverändert rechteckförmig bleibt.
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Wird die Blattdicke linear verjüngt, so führt dies zu einer hyperbelförmigen
Verbreiterung des Federblattes, falls ein Körper gleicher Biegefestigkeit erzielt
werden soll(z. B.
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Corvette-Feder).
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Will man Blattbreite und Querschnittsfläche annähernd konstant halten,
so ist das Federblatt mit einem, sich in Längsrichtung kontinuierlich veränderten
Querschnittsprofil zu fertigen, welches sowohl die beiden vorgenannten Forderungen,
als auch die nachfolgende Bedingung erfüllt:
d. h. Die Biegespannung an einer beliebigen Stelle x, berechnet aus dem Quotienten
Mbx (Biegemoment an der Stelle x) dividiert durch Wx (Widerstandsmoment an der Stelle
x) ist für alle Werke von x gleich groß.
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Bei einer Blattfeder gemäß der DE-OS 31 50 479 ist der Verjüngungsbereich
ausgebildet als ein Hauptkörper, der sich in seiner Längsrichtung in seiner Dicke
ändert, und als mindestens eine in der Dickenrichtung des Hauptkörpers vorspringende
Rippe. Dabei sind Gesamtquerschnitt des Hauptkörpers und der Rippe, wie auch die
Breite des Hauptkörpers in Längsrichtung im wesentlichen gleichbleibend. Die Profilierung
des Federblattes erfolgt in allen
Fällen auf einer Breitseite des
Rechteckquerschnittes bei gleichzeitiger Verjüngung der Dicke des Hauptkörpers.
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Bei einer derartigen Blattfeder wird als verbesserungswürdig angesehen,
daß durch den zugrunde gelegten Rippenquerschnitt mit zunehmender Federlänge höhere
und dünnere Rippen entstehen, was zu ungünstigen Verhältnissen bei der Aufnahme
von Zug- und Druck- und insbesondere Längstorsionsbeanspruchungen führt. Ebenfalls
wegen dieser Querschnittsform bedingt die vorbekannte Lösung bei mehrlagigen Blattfedern
verhältnismäßig hohe Federpakete und unterschiedliche Flächenpressungen im Bereich
der Mitteneinspannung sowie bei ein- als auch mehrlagigen Blattfedern eine hohe
Anfälligkeit gegen Kantenbeschädigungen der faserverstärkten Federblätter.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Blattfeder
zu schaffen, bei der Zug- und Druckspannungen, insbesondere auch die Spannungen
aus der Längstorsion besser aufgenommen, kleinere Federblatt- bzw. Federpakethöhen
und Flächenpressungen sowie ein wirksamerer Kantenschutz erzielt werden.
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Diese Aufgabe wird bei einer Blattfeder der eingangs näher bezeichneten
Gattung dadurch gelöst, daß im Verjüngungsbereich das Federblatt bei im wesentlichen
gleichbreiter Oberseite und Unterseite an den Schmalseiten im Bereich der Federblattmitte
Ausnehmungen mit konkavem Querschnitt aufweist, wobei die Tiefe und Größe der Ausnehmungen
sowie die Dicke des Federblattes vom Federblattende zur Mitteneinspannung hin zunehmen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung nimmt zweckmäßigerweise
die Tiefe der Ausnehmungen vorzugsweise linear zu, wobei aber auch eine Ausbildung
als Parabel, Hyperbel oder dergleichen möglich ist.
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Vorzugsweise haben die Ausnehmungen einen dreieckförmigen Querschnitt.
Sie können aber auch trapezförmig, halbkreisförmig oder dgl. ausgebildet- sein.
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Zum besseren Schutz gegen Kantenbeschädigung und Verschmutzung sind
die Ausnehmungen vorteilhaft mit Füllstoff ausgefüllt.
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Dabei kann es bei der Ausbildung der Mitteneinspannung von besonderem
Vorteil sein, daß die Ausnehmungen nur außerhalb der Mitteneinspannung ausgefüllt
sind und im Bereich der Mitteneinspannung zur Federblattfixierung die Vorsprünge
der Profilplatten aufnehmen.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung werden insbesondere folgende Vorteile
erreicht: - Sowohl auf der Zug- als auch auf der Druckseite sind die größten Volumenanteile
des Federblattwerkstoffes in den Bereichen, in denen auch die höchsten Biegespannungen
auftreten. Der Werkstoff kann daher besser ausgenutzt werden, wodurch leichtere
Blattfedern möglich sind.
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Das Verhältnis der Druck- und Zugspannungen bleibt unabhängig von
der Federlänge konstant.
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- Die Dicke des Federblattes im Bereich der Mitteneinspannung ist
bei gleichen Beanspruchungsgrenzen kleiner. Dies ist insbesondere bei mehrlagigen
Blattfedern hinsichtlich der Pakethöhe von Bedeutung.
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- Schichtung und Befestigung der einzelnen Federlagen bei mehrlagigen
Blattfedern, insbesondere im Bereich der Mitteneinspannung, kann konstruktiv einfach
gelöst werden. Die in der Mitteneinspannung auftretenden Flächenpressungen sind
auf Druck- und Zugseiten gleich groß.
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- Die Federblätter können, insbesondere bei mehrlagigen Blattfedern,
gegen Verschmutzung und Kantenbeschädigung durch Kunststoffe oder gummiartige Füllstoffe
relativ einfach geschützt werden.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt. Im einzelnen zeigt Fig. 1 von einer erfindungsgemäßen Blattfeder die
halbe Seitenansicht Fig. 2 die zugehörige Draufsicht Fig. 3 - 5 die Querschnitte
gemäß den Linien III-III, IV-IV und V-V in Fig. 2 Fig. 6 die Draufsicht gemäß Fig.
2 eines Federblattes mit kurvenförmigem Verlauf der Tiefe der Ausnehmungen
Fig.
7 den Querschnitt gemäß der Linie VII-VII in Fig. 6 mit ausgefüllten Ausnehmungen
Fig. 8 und 9 die Mitteneinspannung einer mehrlagigen Blattfeder im Querschnitt bzw.
in der Draufsicht.
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Gemäß Fig. 1 schließt sich bei einem Federblatt 1 an die Mitteneinspannung
2 der Verjüngungsbereich 3 und das Federblattende 4 an. Oberseite 5 und Unterseite
6 sind im wesentlichen gleichbreit. An den Schmalseiten 7, 8 ist im Bereich der
Mitte des Federblattquerschnittes je eine Ausnehmung 9 mit konkavem, hier dreieckförmigem
Querschnitt angeordnet. Tiefe und Größe des Querschnittes nehmen gemäß Fig. 3 bis
5 vom Federblattende 4 zur Mitteneinspannung 2 hin zu.
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Fig. 2 zeigt einen geradlinigen Verlauf 10 der Eindringtiefe, die
im Bereich der Mitteneinspannung 2 konstant ist. Das durch die Ausnehmungen 9 verdrängte
Materialvolumen erhöht die Dicke des Federblattes. Durch die Wahl unterschiedlicher
Ausnehmungsquerschnitte und die Festlegung eines geeigneten Verlaufes für die Eindringtiefe
der Ausnehmungen kann die Forderung für Körper gleicher Biegefestigkeit bei gleichbleibender
Querschnittsfläche erfüllt werden. Bei einer Federblattausführung gemäß Fig.
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6 nimmt die Tiefe der Ausnehmungen 11 entsprechend dem kurvenförmigen
Verlauf 12 zu.
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Die Ausnehmungen 11 weisen gemäß Fig. 7 einen trapezförmigen Querschnitt
auf und sind mit einem Füllstoff 13, z. B. aus Kunststoff oder einem gummiartigen
Werkstoff gefüllt.
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Gemäß den Fig. 8 und 9 ist bei einer mehrlagigen Blattfeder der Füllstoff
13 nur außerhalb der Mitteneinspannung 2 angeordnet. Im Bereich der Mitteneinspannung
werden die Ausnehmungen 14 mit parabelförmigem Querschnitt zur Halterung der einzelnen
Federblätter 15, 16 verwendet, zwischen denen eine elastische Zwischenlage 17 aus
z. B. Kunststoff angeordnet ist.
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Befestigung und Fixierung der Federblätter 15, 16 erfolgen durch Profilplatten
18, die mit Vorsprüngen 19 in die Ausnehmungen 14 eingreifen sowie durch Befestigungsbügel
(Brieden) 20, die durch die Profilplatten 18 gesteckt sind.
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1 Federblatt 2 Mitteneinspannung 3 Verjüngungsbereich 4 Federblattende
5 Oberseite 6 Unterseite 7 Schmalseite 8 Schmalseite 9 Ausnehmung (dreieckförmig)
10 Verlauf 11 Ausnehmung (trapezförmig) 12 Verlauf 13 Füllstoff 14 Ausnehmung (parabelförmig)
15 Federblatt 16 Federblatt 17 Zwischenlage 18 Profilplatte 19 Vorsprung 20 Befestigungsbügel
(Briede)
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