WO2018130561A1 - Strangprofil und verfahren zum herstellen eines strangprofils - Google Patents

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WO2018130561A1
WO2018130561A1 PCT/EP2018/050545 EP2018050545W WO2018130561A1 WO 2018130561 A1 WO2018130561 A1 WO 2018130561A1 EP 2018050545 W EP2018050545 W EP 2018050545W WO 2018130561 A1 WO2018130561 A1 WO 2018130561A1
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layers
extruded profile
layer structure
longitudinal
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Gregor Daun
Christian KORFF
Jan Wucherpfennig
Diego Douglas D'AULIGNAC
Reinhard Jakobi
Helmut Schuermann
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Basf Se
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    • F16F1/3665—Wound springs
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    • B29K2309/00—Use of inorganic materials not provided for in groups B29K2303/00 - B29K2307/00, as reinforcement
    • B29K2309/08—Glass

Definitions

  • the present invention relates to an extruded profile and a method for producing an extruded profile.
  • metallic extruded profiles are bent in the form of a helical spring.
  • weight of bent strand profiles there is a need to reduce the weight of springs for motor vehicles, thereby reducing the weight of the vehicle as a whole, which in turn can reduce the vehicle's energy consumption and emissions.
  • Fiber-reinforced materials contain as essential components fibers as reinforcing material and a matrix system or
  • Matrix material in which the fibers are embedded is based on glass, carbon, aramid, polyacrylonitrile, polyester or polyamide.
  • Thermosetting polymers for example polyester resins, vinyl ester resins, polyurethane resins or epoxy resins, or thermoplastic polymers such as polyamides, polypropylenes or polyethylenes are usually used as the matrix system.
  • the fibers are unwound from bobbins, soaked in the matrix system or otherwise wetted, formed into the desired profile shape and cured.
  • the fibers themselves may form the profile shape or they may be applied to a base body. The procedure will
  • the fibers are also unrolled from bobbins and impregnated with the matrix system or otherwise wetted.
  • this is a discontinuous process in which a core or body to be coated rotates and the fibers are guided by an axial reciprocation on the workpiece and wound on this until the desired thickness of the fiber-plastic Layer is reached.
  • the so-called pull-winding method is a combination of pultrusion and filament winding process.
  • a strand-shaped workpiece is pulled through the plant while fiber coils rotate about the workpiece, the fibers are soaked or wetted, and the wetted fibers are deposited on the workpiece. It can the
  • the strand-shaped workpiece can be a preformed basic body, for example a tube, but it can also be made by fibers are formed, which are brought in a first stage, for example in the pultrusion in a profile shape.
  • Composite layers consist of fibers embedded in a polymer matrix.
  • the extruded profile produced in this way can optionally be encased.
  • the extruded profile can be bent, for example in the form of a helical spring.
  • DE 38 24 933 A1 discloses a tubular, twistable spring element high specific load capacity, consisting of at least two concentric nested tubular bodies, which are formed at an angle between 0 ° and 90 ° extending fibers, wires, rods or slats, wherein the winding direction of the
  • Tubular body is in opposite directions and the inner tube body expands in torsional load in addition to the rotation and the outer tube body contracts, and the two tube body support each other at least from a defined torsional load.
  • an insulating, limited elastic layer is arranged between the tubular bodies; Furthermore, both tubular bodies are connected at their ends with a common force introduction part.
  • EP 0 145 810 A1 discloses an elastic wave composed of a plurality of coaxial layers consisting of parallel fibers, the fibers
  • the shaft can be potted with plastic. In torsional stress all fibers of the shaft are subjected to tensile or compressive stress.
  • the fiber arrangement can be chosen so that the fiber load is almost the same everywhere regardless of the layer diameter.
  • EP 0 637 700 A2 discloses a spiral spring of carbon fiber reinforced synthetic resin having a spirally wound cord made of carbon fiber reinforced synthetic resin, the carbon fibers being inclined at ⁇ 30 ° to ⁇ 60 ° with respect to
  • Axis of the cord are aligned.
  • the ratio of the amounts of the carbon fibers A and B is 1.1 ⁇ A / B ⁇ 4.0, where A is the amount of carbon fibers aligned in the direction in which a compressive force is applied in the longitudinal direction of the fibers, and B is the amount of carbon fibers aligned in the direction in which a tensile force is exerted in the longitudinal direction of the fibers.
  • JP 2006-226327 A discloses a fiber-reinforced plastic
  • US 5,603,490 A discloses fiber-reinforced plastic springs with helical fiber winding and, more particularly, a cylindrical torsion bar or coil with a core that is either unreinforced, axially fiber reinforced or twisted fiber reinforced, and a continuous fiber reinforced composite wrap covering most or all of them Fibers spirally arranged around the core.
  • the core can be solid or hollow. The direction of the spiral winding is chosen to stress the fibers longitudinally when the spring is used as intended.
  • a cladding fiber pitch of about 55 ° is used with a weak and unreinforced core, while larger or smaller pitch angles are used only with cores of sufficient rigidity to withstand axial normal stress.
  • WO 2014/014481 A1 discloses a composite coil spring which has a
  • Screw body has a core and a plurality of fiber layers impregnated with a polymeric material.
  • the plurality of fiber layers are disposed about the core at different radial distances from the helical axis.
  • Each of the plurality of fiber layers extends around the helix axis at an acute angle to
  • Each of the plurality of fiber layers comprises a number of fibers which is a product of a common base number of fibers multiplied by a non-zero positive integer from a set of nonzero positive integers.
  • the positive nonzero integer of at least one of the plurality of fiber layers is different from the nonzero positive integer of at least one other of the plurality of fiber layers.
  • FR 2859735 A1 discloses a spring for motor vehicles comprising two or more layers of fibers wound in opposite directions around a core.
  • FR 2602461 A1 discloses a method for producing coil springs made of composite materials.
  • a basic idea of the present invention is based on the finding that the necessary weight of an extruded profile and in particular of a coil spring on the material side can be further reduced by using materials with a higher shear strength and a lower shear modulus.
  • a further basic idea of the present invention is to form the extruded profile with a thick-layered structure in which the fibers lie together in the pulling direction and the fibers in the compression direction, and in which there is a slight layerwise modulation of the fiber angle to the direction of extent within the fiber layers in the direction of tension and compression of the extruded profile by a mean angle.
  • the fibers are preferably outside in the pulling direction.
  • An inventive extruded profile has a profile cross-section and extends along an axis, which may possibly also be bent.
  • the direction of the axis is referred to as the longitudinal extension direction of the extruded profile.
  • the extruded profile comprises a first layer structure arranged around the longitudinal extension direction of the extruded profile and a second layer structure surrounding the first layer structure.
  • Layer construction comprises a first plurality of layers, wherein each layer of the first layer structure comprises a plurality of fibers.
  • the second layer construction comprises a second plurality of layers, each layer of the second layer structure comprising a plurality of fibers. The fibers of the first plurality of layers and the fibers of the second
  • a plurality of layers each extend in the longitudinal extension directions of the fibers.
  • the longitudinal extension directions of the fibers of the first plurality of layers and the fibers of the second plurality of layers are each to the longitudinal direction of the extruded profile at an angle with an amount in a range of 30 ° to 60 °, and preferably in a range of 40 ° to 50 ° oriented.
  • the fibers of the first plurality of layers extend in such a way relative to the longitudinal direction of the extruded profile, that they are subjected to longitudinal pressure in the longitudinal directions of extension of the extruded profile under nominal torsional loading.
  • the fibers of the second plurality of layers extend in such a way relative to the longitudinal direction of the extruded profile, that they are claimed in the longitudinal direction of extension of the extruded profile in the longitudinal direction of extension of the extruded profile.
  • the longitudinal extension directions of the fibers of adjacent layers of the first plurality of layers differ by an angle in an amount in a range of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 °, and more preferably 2 ° to 6 ° of each other.
  • the longitudinal extension directions of the fibers of adjacent layers of the second plurality of layers differ by an angle in an amount in a range of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 ° and more preferably 2 ° to 6 ° of each other.
  • an extruded profile is to be understood as meaning a workpiece which is formed by unwinding fibers, impregnating the fibers with at least one matrix material and shaping the fibers into a predetermined profile.
  • the extruded profile is made in accordance with at least one fiber composite material.
  • the first layer structure and the second layer structure are made of produced different or identical fiber composites.
  • the extruded profile is in particular a workpiece produced by a pultrusion method, filament winding method or pull-winding method. However, it can also be made with another process such as winding preimpregnated fiber webs into tubes.
  • the workpiece may be pre-cut to a certain length, but it may also be present as a tubular fabric initially indefinite length.
  • the cross-sectional profile of the workpiece may be constant or variable over its length. The cross-sectional profile is limited only in that its greatest extent must be smaller than a cross-section of a through-hole of a
  • the workpiece can be hollow or compact.
  • a longitudinal direction of extension means an extension in a direction parallel to the longest dimension of the respective component, such as, for example, the axis of the extruded profile, which may possibly also be bent, or the direction of the fibers.
  • a layer is to be understood as meaning a uniform mass of areal extent with a specific thickness which is significantly smaller than the dimensions which form the areal extent.
  • a layer structure is understood to mean a design or a construction in which a plurality of layers are arranged one above the other or in which several layers are arranged one above the other.
  • a fiber is understood to mean a linear, flexible, elementary structure which consists of a pulp and has an outer fiber shape which is thin in relation to its length.
  • the fiber may be (quasi) endless or limited in length. Fibers can - without support by an enveloping matrix - in the longitudinal direction no compressive forces, but only absorb tensile forces, since they at
  • torsion means the effects of a force acting parallel to the base surface and tangential to the side surface of a body, which mainly turns the extruded profile about its longitudinal axis.
  • Extruded profile is designed to be loaded by torsion in this direction of rotation.
  • a structure for the extruded profile is proposed in which a first layer structure is surrounded to the outside by a second layer structure. Both the first layer structure and the second layer structure are made of several superimposed arranged layers formed. Each of the layers in turn has multiple fibers. Thus, the first layer structure is surrounded by the layers of the second
  • the turns or slopes of the fibers of the layers of the first layer structure differ from the turns or slopes to the fibers of the layers of the second layer structure.
  • the fibers of the layers of the first layer structure are right-ascending and the fibers of the layers of the second layer structure are left-increasing or reverse-oriented. Accordingly, instead of a so-called fine-layered structure in which the layers with fibers
  • a coarse-layered structure in which a first arrangement of layers with fibers of the same turn is provided one above the other, and then on this first arrangement a second arrangement of layers with fibers of the same turn is provided, wherein the turns of the Distinguish fibers of the first arrangement of the turns of the fibers of the second arrangement.
  • the orientations of the fibers of adjacent layers of the respective layer structure differ slightly from each other.
  • the fibers of the respective layers of the first layer structure are not oriented parallel to each other, but intersect at a very acute angle in a plan view of the layers.
  • the fibers of the respective layers of the second layer structure are not oriented parallel to each other, but intersect at a very acute angle in a plan view of the layers.
  • Such a structure acts to stop cracks.
  • the second layer structure may comprise more fibers than the first layer structure.
  • the second layer structure comprising more layers than the first layer structure, wherein the number of fibers per layer is identical.
  • the extruded profile is more resilient to torsion.
  • the number of fibers of the second plurality of layers is a factor of 1, 5 to 9, preferably 1, 5 to 4, more preferably 2 to 3 greater than the number of fibers of the first plurality of layers.
  • a particularly stress on torsion extruded profile is obtained.
  • the first plurality of layers and the second plurality of layers may have different fiber volume fractions.
  • the first plurality of layers may have a fiber volume fraction of 40% to 70% based on the volume of the first
  • Layers may have a fiber volume fraction of from 35% to 60% by volume of the second layer construction to accommodate the longitudinally tensioned fibers in To protect a relatively softer environment from the propagation of microcracks and anchorage by microcracks.
  • the fibers of the first plurality of layers may be embedded in a first matrix material.
  • the fibers of the second plurality of layers may be embedded in a second matrix material.
  • the second matrix material differs from the first matrix material.
  • the first matrix material has a high rigidity with a tensile modulus of more than 2.9 GPa to laterally support the longitudinally pressurized fibers, whereas the second matrix material has high toughness to longitudinally lower Train set fibers to stop possible microcracks.
  • a matrix material is to be understood as meaning any material which is suitable for fixing the fibers in their position after being deposited.
  • Thermosetting polymers for example polyester resins, are usually used as the matrix material.
  • Vinylesterharze polyurethane resins or epoxy resins, or thermoplastic polymers such as polyamides, polypropylenes or polyethylenes are used, which are preferably high
  • the fibers of the first plurality of layers and the fibers of the second plurality of layers may be impregnated with different impregnating agents when the first
  • Layer structure of the second layer structure is separated by a layer for the impregnation impermeable layer from each other.
  • a layer for the impregnation impermeable layer acts to stop cracks, so that a possible crack in the first layer structure can not spread to the second layer structure and vice versa.
  • an impregnating agent is basically to be understood as meaning any matrix material which is cured by curing, for example by
  • the impregnating agent in the context of the present invention, in particular a monomer or polymer-based liquid is used.
  • the impregnating agent can be a liquid matrix material during processing, such as, for example, a reactive, liquid thermoset system based on, for example, polyurethane, polyester, vinyl ester, epoxy resin, or a reactive thermoplastic system based on caprolactam, polyacrylic, or a thermoplastic - Melt be based on polypropylene, polyethylene, polyamide, for example.
  • the fibers of the second layer structure may be formed as rovings with a filament diameter which is smaller than a filament diameter of the fibers of the first layer structure, since thereby in the region of the longitudinal direction to train
  • a roving is to be understood as meaning a bundle, strand or multifilament yarn made of filaments arranged in parallel, that is, continuous filaments.
  • filaments produced from glass are preferably combined to form rovings, but other materials are also basically those in the art
  • the extruded profile may have a core on which the first layer structure is arranged.
  • the core may be an array of twisted fibers, a solid core, a jacketed solid core, a hollow core, or a jacketed hollow core.
  • a core is to be understood as meaning a component or element which is provided for depositing the fibers.
  • a core may be any component or element having a deposition surface on which fibers can be deposited.
  • the fibers are twisted together.
  • many types of cores can be used in the context of the present invention.
  • the cross section of the core is preferably circular, but may in principle be oval, elliptical, polygonal or polygonal with rounded corners.
  • a hollow core decreases in the
  • the first layer structure preferably consists of the first plurality of layers, and the second layer structure consists of the second plurality of layers. This specifies a particularly permanently stable extruded profile.
  • the extruded profile can be bent. Thus, a higher variety of shapes is achieved.
  • the extruded profile can be bent in the form of a helical spring.
  • a type of coil spring is permanently stable and of significantly less weight than coil springs made of metal or steel.
  • the pitch does not have to be constant over all turns of the coil spring, but may vary in different sections of the turns. For example, the pitch of the turns at the outer ends of the coil spring is smaller than in a central region of the coil spring.
  • the extruded profile can be designed as a clockwise-rotating compression spring or left-handed tension spring.
  • the longitudinal extension directions of the fibers are the first A plurality of layers oriented to the right longitudinal to the longitudinal direction of the extruded profile at an angle in an amount in a range of 40 ° to 50 ° and the longitudinal extension directions of the fibers of the second plurality of layers are left to the longitudinal direction of the extruded profile at an angle in an amount in one Range oriented from 40 ° to 50 °.
  • This combination of formation of the fibers in the first and second plurality of layers proves to be particularly good on torsion.
  • the extruded profile can be designed as a left-handed compression spring or right-handed tension spring.
  • the longitudinal extension directions of the fibers of the first plurality of layers are oriented left to the longitudinal direction of the extruded profile at an angle in an amount in a range of 40 ° to 50 ° and the longitudinal extension directions of the fibers of the second plurality of layers are right-handed to the longitudinal direction of the extruded profile oriented at an angle with an amount in a range of 40 ° to 50 °.
  • This combination of formation of the fibers in the first and second plurality of layers proves to be particularly good on torsion.
  • the fibers of the first plurality of layers and the fibers of the second plurality of layers are glass fibers.
  • Such fibers are particularly easy to process and permanently stable or have a high fatigue strength.
  • a glass fiber is to be understood as meaning a long thin fiber made of glass. To produce thin threads are drawn from a glass melt.
  • An inventive method for producing an extruded profile preferably an extruded profile as described above according to the invention, comprises:
  • Longitudinal direction of the extruded profile are oriented at an angle in an amount in a range of 30 ° to 60 ° and preferably in a range of 40 ° to 50 °, wherein the fibers of the first plurality of layers so relatively extend to the longitudinal direction of the extruded profile, that they are subjected to longitudinal compressive stress in the longitudinal extension directions at nominal torsional load of the extruded profile, wherein the fibers of the second plurality of layers extend relative to the longitudinal direction of the extruded profile that they at nominal torsional load of the extruded profile in their
  • a method for producing the extruded profile is proposed with a structure in which there is a core in the interior, which is surrounded in a direction outward by a first layer structure and then by a second layer structure.
  • Both the first layer structure and the second layer structure are formed from a plurality of layers arranged one above the other. Each of the layers in turn has multiple fibers.
  • the core is outwardly surrounded first by the layers of the first layer structure and then by the layers of the second layer
  • the turns or slopes of the fibers of the layers of the first layer structure differ from the turns or slopes to the fibers of the layers of the second layer structure.
  • the fibers of the layers of the first layer structure are right-ascending and the fibers of the layers of the second layer structure are left-increasing or reverse-oriented. Accordingly, instead of a so-called fine-layered structure in which the layers with fibers
  • a coarse-layered structure in which a first arrangement of layers with fibers of the same turn is provided one above the other, and then on this first arrangement a second arrangement of layers with fibers of the same turn is provided, wherein the turns of the Distinguish fibers of the first arrangement of the turns of the fibers of the second arrangement.
  • the orientations of the fibers of adjacent layers of the respective layer structure differ slightly from each other.
  • the fibers of the respective layers of the first layer structure are not oriented parallel to each other, but intersect at a very acute angle in a plan view of the layers.
  • the fibers of the respective layers of the second layer structure are not oriented parallel to each other, but intersect at a very acute angle in a plan view of the layers.
  • Such a structure acts to stop cracks. If the core is removed, the weight of the extruded profile is further reduced. If the core remains, this can stabilize the extruded profile.
  • the second layer structure may be formed with more fibers than the first layer structure. Accordingly, more tensile, rather than compressive, fibers are provided. This can be realized by the second layer structure comprising more layers than the first layer structure, wherein the number of fibers per layer is identical. Alternatively, however, it is also possible to specifically vary the number of fibers per layer and / or the fiber volume fraction per layer. By such a structure, the extruded profile is more resilient to torsion. In other words, such a structure shifts the crack formation boundary toward higher torsion loads.
  • the number of fibers of the second plurality of layers may be greater than the number of fibers of the first plurality of layers by a factor of 1, 5 to 9, preferably 1, 5 to 4, particularly preferably 2 to 3. This is a particularly resilient to torsion
  • the first plurality of layers and the second plurality of layers may be formed with different fiber volume fractions, wherein the first plurality of layers has a fiber volume fraction of 40% to 70% based on the volume of the first layer structure, the second plurality of layers having a
  • Fiber volume fraction can also be slightly varied in order to match the carrying percentage of individual layers to each other.
  • the fibers of the first plurality of layers may be embedded in a first matrix material and the fibers of the second plurality of layers may be embedded in a second matrix material.
  • the second matrix material may differ from the first matrix material.
  • the first matrix material may have a high rigidity with a tensile modulus of more than 2.9 GPa, and the second matrix material may have a high toughness.
  • the fibers of the first plurality of layers and the fibers of the second plurality of layers may be impregnated with a different impregnating agent when the first layer structure is separated from the second layer structure by a layer impermeable to the impregnating agent.
  • a layer acts to stop cracks, so that a possible crack in the first layer structure can not spread to the second layer structure and vice versa.
  • the fibers of the second layer construction may be formed as rovings having a filament diameter smaller than a filament diameter of the fibers of the first layer structure.
  • the core may be an array of twisted fibers, a solid core, a jacketed solid core, a hollow core, or a jacketed hollow core. In principle, many types of cores can be used in the context of the present invention.
  • the cross section of the extruded profile is preferably circular, but may be basically, oval, elliptical, polygonal or polygonal with rounded corners.
  • a hollow core reduces the weight compared to a solid core.
  • the first layer structure may consist of the first plurality of layers and the second layer structure may consist of the second plurality of layers. This specifies a particularly fatigue-resistant or fatigue-resistant extruded profile.
  • the fibers of the first layer structure and / or the fibers of the second layer structure can be arranged by means of filament winding or by means of pull-winding. So that the fibers can be arranged very precisely aligned.
  • the method may further include bending the strand profile.
  • the method may further comprise bending the extruded profile in the form of a helical spring.
  • Such a type of coil spring is highly durable or fatigue-proof and of significantly less weight than coil springs made of steel.
  • a ratio tan a ⁇ / ( ⁇ * D) is not greater than 0.22 and preferably not greater than 0.21.
  • the extruded profile may be formed as a right-handed compression spring or left-handed tension spring, wherein the longitudinal extension directions of the fibers of the first plurality of layers are oriented right-handed to the longitudinal direction of the extruded profile at an angle in an amount in the range of 40 ° to 50 °, wherein the longitudinal extension directions of Fibers of the second plurality of layers are oriented left to the longitudinal direction of the extruded profile at an angle in an amount in a range of 40 ° to 50 °.
  • This formation of the fibers in the first and in the second plurality of layers proves to be particularly good on torsion.
  • the extruded profile may be formed as a levorotatory compression spring or a clockwise directional spring, the longitudinal extension directions of the fibers of the first plurality of layers being oriented left to the longitudinal direction of the extruded profile at an angle in an amount in a range of 40 ° to 50 °, the longitudinal extension directions the fibers of the second plurality of layers right-handed to the longitudinal direction of the extruded profile at an angle in an amount in be oriented in a range of 40 ° to 50 °.
  • This formation of the fibers in the first and in the second plurality of layers proves to be particularly good on torsion.
  • the fibers of the first plurality of layers and the fibers of the second plurality of layers are preferably glass fibers. Such fibers are particularly easy to process and have a high fatigue strength.
  • an extruded profile is proposed which is obtained or obtainable according to one of the methods described above. This makes it possible to produce the extruded profile with the advantages of the method described above.
  • the use of a previously described extruded profile is proposed as a spring in a chassis of a motor vehicle. This can be used in the motor vehicle, a spring that is relatively low in weight and yet operational.
  • FIG. 2 shows a side view of an extruded profile according to a first embodiment
  • FIGS. 3A to 3E each show a plan view of the first layer structure and examples of possible orientations of the fibers of the first layer structure
  • FIG. 4 shows a side view of an extruded profile according to a second embodiment
  • FIG. 5 shows a side view of an extruded profile according to a third embodiment
  • FIG. 6 shows a side view of an extruded profile according to a fourth embodiment
  • FIGS. 7A to 7D show various steps of a method for producing an extruded profile
  • FIG. 8 shows results for the shear modulus, the shear strength and the ratio of
  • FIG. 9 shows the transmittable shear stress T max as a function of tan a and.
  • Figure 10 shows the yieldable shear stress T max for two types of laminates in springs with similar profile and different chemistry for the materials used.
  • Figure 1 shows a side view of an extruded profile 10 which is bent in the form of a clockwise helical spring 12. Accordingly, the extruded profile 10 is wound in a clockwise direction about an axis of symmetry 14. For purposes of explanation, certain characteristics of the coil spring 12 are shown in FIG.
  • the coil spring 12 has a
  • the extruded profile 10 may be tubular and thus have an inner diameter d.
  • the coil spring 12 also has a pitch H, a spring diameter D and a pitch angle a.
  • the slope H is defined as the distance from centers of adjacent turns in a direction parallel to the axis of symmetry 14.
  • the spring diameter D is as a distance from centers of adjacent turns in a direction perpendicular to
  • Symmetry axis 14 defined.
  • the pitch angle a is defined as an angle between a center line 16 of the extruded profile 10 and a plane 18 perpendicular to the axis of symmetry 14.
  • FIG. 2 shows a side view of an extruded profile 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • the extruded profile 10 is in the form of a clockwise
  • the coil spring 12 bent.
  • the coil spring 12 has a slope H, a
  • the coil spring 12 is a right-handed compression spring, as indicated by arrows 20.
  • the extruded profile 10 extends in a longitudinal extension direction 22. The extruded profile 10 has one around the
  • Layer structure 24 has a first plurality of layers 26, of which only one is indicated in FIG.
  • the first layer structure 24 preferably consists of the first plurality of layers 26.
  • Each layer 26 of the first layer structure 24 has a plurality of fibers 28.
  • the fibers 28 of the first plurality of layers 26 each extend in the longitudinal extension directions 30.
  • the longitudinal extension directions 30 of the fibers 28 of the first plurality of layers 26 are each to the longitudinal extension direction 22 of the extruded profile 10 at an angle with an amount in the range of 30 ° 60 ° and preferably oriented in a range of 40 ° to 50 °.
  • the fibers 28 of the first plurality of layers 26 extend so relative to the longitudinal extension direction 22 of FIG.
  • the longitudinal extension directions 30 of the fibers 28 of the first plurality of layers 26 are right-handed to the longitudinal extension direction 22 of FIG.
  • Extruded profile 10 at an angle with an amount in the range of 40 ° to 50 ° oriented.
  • the extruded profile 10 furthermore has a second layer structure 32 surrounding the first layer structure 24.
  • the second layer structure 32 has a second plurality of
  • the second layer structure 32 preferably consists of the second plurality of layers 34.
  • Each layer 34 of the second layer structure 32 has a plurality of fibers 36.
  • the plurality of layers 34 each extend in the longitudinal extension directions 38.
  • the longitudinal extension directions 38 of the fibers 36 of the second plurality of layers 34 are each to the longitudinal direction 22 of the extruded profile 10 at an angle in an amount in the range of 30 ° to 60 ° and preferably in a range of 40 ° to 50 ° oriented.
  • the fibers 36 of the second plurality of layers 34 extend in such a way relative to the longitudinal direction 22 of the extruded profile 10 that they are subjected to longitudinal tension in the longitudinal directions of extension of the extruded profile 10 in the longitudinal direction of extension.
  • the first embodiment the
  • the second layer structure 32 comprises more fibers 36 than the first layer structure 24.
  • the number of fibers 36 of the second plurality of layers 34 is greater by a factor of 1.5 to 9, preferably 1.5 to 4, more preferably 2 to 3 the number of fibers 28 of the first plurality of layers 26.
  • the first plurality of layers 26 and the second plurality of layers 34 have different fiber volume fractions.
  • the first plurality of layers 34 has a fiber volume fraction of 50% to 70% relative to the volume of the first
  • Layer structure 24 and the second plurality of layers 34 has a
  • the fibers 28 of the first plurality of layers 26 are embedded in a first matrix material.
  • the fibers 36 of the second plurality of layers 34 are embedded in a second matrix material.
  • the second matrix material is optionally different from the first matrix material.
  • the first matrix material has a high rigidity with a tensile modulus of preferably more than 2.9 GPa and the second matrix material has a high toughness.
  • the fibers 28 of the first plurality of layers 26 are impregnated with a first impregnating agent and the fibers 36 of the second plurality of layers 34 are impregnated with a second impregnating agent.
  • the first layer structure 24 is optionally separated from the second layer structure 32 by a layer impermeable to the first impregnating agent and the second impregnating agent.
  • the first impregnating agent is different from the second impregnating agent.
  • the fibers 36 of the second layer structure 32 are formed as rovings having a filament diameter that is optionally smaller than a filament diameter of the fibers 28 of the first layer structure 24.
  • the extruded profile 10 may have a core on which the first
  • the core may be an array of twisted fibers, a Solid core, a sheathed solid core, a hollow core or a sheathed hollow core.
  • the core can remain in the finished workpiece or be removed.
  • the longitudinal directions 30 of the fibers 28 of adjacent layers 26 of the first plurality of layers 26 differ by an angle in an amount in a range of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 ° and more preferably 2 ° to 6 ° from each other.
  • the longitudinal directions 38 of the fibers 36 of adjacent layers 34 of the second plurality of layers 34 differ by an angle in an amount in a range of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 ° and more preferably 2 ° to 6 °. This will be explained below with reference to the first
  • Figures 3A to 3E each show a plan view of the first layer structure 24 and examples of possible orientations of the fibers 28 of the first layer structure 24. Shown by way of example only are a first layer 26a, a second layer 26b, and a third layer 26c of the first layer structure 24 in the order given
  • the first layer 26a has a first plurality of fibers 28a.
  • the second layer 26b has a second plurality of fibers 28b.
  • the third layer 26c has a third plurality of fibers 28c. Of the fibers 28a, 28b, 28c, only one is shown for reasons of clarity. Alternatively, in the case of only two layers, the fibers 28a and 28c may vary about an imaginary line of symmetry having the profile of the fiber 28b.
  • the second plurality of fibers 28b extend at an angle of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 ° and more preferably 2 ° to 6 ° clockwise to the first plurality of fibers 28a.
  • the third plurality of fibers 28c extend to the second plurality of fibers 28b at an angle of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 ° and more preferably 2 ° to 6 ° in the clockwise direction.
  • the second plurality of fibers 28b extend at an angle of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 ° and more preferably 2 ° to 6 ° counterclockwise to the first plurality of fibers 28a.
  • the third plurality of fibers 28c extend to the second plurality of fibers 28b at an angle of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 ° and more preferably 2 ° to 6 ° counterclockwise.
  • the second plurality of fibers 28b extend at an angle of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 ° and more preferably 2 ° to 6 ° clockwise to the first plurality of fibers 28a.
  • the third plurality of fibers 28c extend at an angle of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 °, and more preferably 2 ° to 6 ° counterclockwise, to the first plurality of fibers 28a.
  • the second plurality of fibers 28b extend at an angle of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 °, and more preferably 2 ° to 6 ° counterclockwise, to the first plurality of fibers 28a.
  • the third plurality of fibers 28c extend at an angle of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 °, and more preferably 2 ° to 6 ° clockwise, to the first plurality of fibers 28a.
  • FIG. 3E shows an arrangement in which the fibers 28a, 28c of each second layer 26a, 26c of the same layer structure 24 extend parallel to each other.
  • the fibers 28a, 28c overlap in the plan view of FIG. 3E.
  • FIG. 4 shows a side view of an extruded profile 10 according to a second
  • the extruded profile 10 is bent in the form of a left-handed helical spring 12.
  • the coil spring 12 is a left-handed compression spring, as indicated by arrows 20.
  • the second embodiment the
  • FIG. 5 shows a side view of an extruded profile 10 according to a third embodiment of the present invention.
  • the extruded profile 10 is bent in the form of a clockwise helical spring 12.
  • the coil spring 12 is a right-handed tension spring, as indicated by arrows 20.
  • the longitudinal extension directions 30 of the fibers 28 of the first plurality of layers 26 are left-handed
  • Longitudinal direction 22 of the extruded profile 10 at an angle with an amount in the range of 40 ° to 50 ° oriented.
  • the longitudinal extension directions 38 of the fibers 36 of the second plurality of layers 34 are oriented right-hand to the longitudinal direction 22 of the extruded profile 22 at an angle with an amount in a range of 40 ° to 50 °.
  • FIG. 6 shows a side view of an extruded profile 10 according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the extruded profile 10 is bent in the form of a left-handed helical spring 12.
  • the coil spring 12 is a left-handed tension spring, as indicated by arrows 20.
  • the longitudinal directions 30 of the fibers 28 of the first plurality of layers 26 are oriented to the right longitudinal to the longitudinal direction 22 of the extruded profile 10 at an angle with an amount in the range of 40 ° to 50 °.
  • the longitudinal directions 38 of the fibers 36 of the second plurality of layers 34 are left-handed with respect to FIG.
  • Longitudinal direction 22 of the extruded profile 22 at an angle with an amount in the range of 40 ° to 50 ° oriented.
  • FIGS. 7A to 7D show different steps of the method.
  • a core 40 is first provided.
  • the core 40 extends to define the longitudinal extension direction 22 of the extruded profile 10 in a longitudinal direction.
  • the core 40 extends straight, for example.
  • the core 40 may be an array of twisted fibers, a solid core, a jacketed solid core, a hollow core, or a jacketed hollow core.
  • the core 40 is around the
  • Layer structure 24 has the first plurality of layers 26.
  • the first layer structure 24 consists of the first plurality of layers 26.
  • Each layer 26 of the first layer structure 24 has a plurality of fibers 28, of which only one is shown in FIG. 7B.
  • the fibers 28 can be arranged on the core 40, for example by means of filament winding.
  • the fibers 28 of the first plurality of layers 26 each extend in longitudinal directions 30.
  • the longitudinal directions 30 of the fibers 28 of the first plurality of layers 26 are respectively to the longitudinal extension direction 22 of the extruded profile 10 at an angle in an amount in the range of 30 ° 60 ° and preferably oriented in a range of 40 ° to 50 °.
  • a plurality of layers 26 extend in such a way relative to the longitudinal direction 22 of the extruded profile 10 that they are subjected to longitudinal compression under nominal torsional loading of the extruded profile 10 in their longitudinal extension directions 30.
  • the longitudinal extension directions 30 of the fibers 28 of the first plurality of layers 26 are right-handed to the longitudinal extension direction 22 of FIG.
  • Extruded profile 10 at an angle with an amount in the range of 40 ° to 50 ° oriented.
  • the second layer structure 32 is arranged on the first layer structure 24 surrounding it.
  • the second layer structure 32 has the second plurality of layers 34.
  • the second layer structure 32 consists of the second plurality of layers 34.
  • Each layer 34 of the second layer structure 32 has a plurality of fibers 36, of which only one is shown in FIG. 7C.
  • the fibers 36 may be disposed on the first layer structure 24 by filament winding or pull-winding become.
  • the fibers 36 of the second plurality of layers 34 each extend in the longitudinal extension directions 38.
  • the longitudinal extension directions 38 of the fibers 36 of the second plurality of layers 34 are each to the longitudinal extension direction 22 of the extruded profile 10 at an angle in an amount in the range of 30 ° 60 ° and preferably oriented in a range of 40 ° to 50 °.
  • the fibers 36 of the second plurality of layers 34 extend in such relative to the longitudinal direction 22 of the extruded profile 10 that they at nominal torsional load of the extruded profile 10 in their
  • the longitudinal extension directions 38 of the fibers 36 of the second plurality of layers 34 are left-handed to the longitudinal extension direction 22 of FIG.
  • Extruded profile 22 oriented at an angle with an amount in a range of 40 ° to 50 °.
  • the second layer structure 32 comprises more fibers 36 than the first layer structure 24.
  • the number of fibers 36 of the second plurality of layers 34 is greater by a factor of 1.5 to 9, preferably 1.5 to 4, more preferably 2 to 3 the number of fibers 28 of the first plurality of layers 26.
  • the first plurality of layers 26 and the second plurality of layers 34 may have different fiber volume fractions.
  • the first plurality of layers 34 has a fiber volume fraction of 40% to 70% based on the volume of the first layer structure 24 and the second plurality of layers 34 has one
  • the fibers 28 of the first plurality of layers 26 are embedded in a first matrix material.
  • the fibers 36 of the second plurality of layers 34 are embedded in a second matrix material.
  • the second matrix material may be different from the first matrix material.
  • the first matrix material may have a high rigidity and the second matrix material may have a high toughness.
  • the fibers 28 of the first plurality of layers 26 and the fibers 36 of the second plurality of layers 34 are each impregnated with an impregnating agent.
  • the first layer structure 24 may be separated from the second layer structure 32 by a layer impermeable to the impregnant layer.
  • the impregnating agents may differ from each other.
  • the fibers 36 of the second layer structure 32 are formed as rovings having a filament diameter that may be smaller than a filament diameter of the fibers 28 of the first layer structure 24.
  • the longitudinal extension directions 30 of the fibers 28 of adjacent layers 26 of the first plurality of layers 26 differ by an angle in an amount in a range of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 ° and more preferably 2 ° to 6 ° from each other.
  • the longitudinal extension directions 38 of the fibers 36 of adjacent layers 34 of the second plurality of layers 34 differ by an angle in an amount in a range of 0 ° to 10 °, preferably 2 ° to 10 °, and more preferably 2 ° to 6 °, as described above.
  • the core 40 be removed or remain in the first layer structure 24.
  • the extruded profile 10 is then bent.
  • the extruded profile 10 is bent, for example in the form of a clockwise-rotating coil spring 12, for example by means of a freeform tool.
  • the coil spring 12 is cured, which can be done with heat.
  • T M AX Increased shear stress at the inner circumference of a thick spring due to torsion and shear, calculated according to Waals
  • the deflection of the spring is calculated as
  • the spring constant is the local slope of the force as a function of the deflection:
  • the required shear modulus can be determined from the slope:
  • Laminate The laminate construction of the individual samples was fine-grained (F) or coarse (G) with different ratios of the fibers subjected to pressure in their longitudinal direction to the fibers loaded in their longitudinal direction.
  • fine-layered means an alternating arrangement of the layers of different directions of rotation and coarse-layer means that only a plurality of layers with fibers of the same direction of rotation and then a plurality of layers with fibers of opposite or deviating
  • Glass fiber was a roving weighing 2400 g / km (2400 tex).
  • System A consisted of the resin bisphenol A diglycidyl ether with 22 wt .-% butanediol diglycidyl ether and the hardener diethylmethylbenzene diamine in the mixing ratio 100: 26.
  • System B consisted of the resin bisphenol A diglycidyl ether with 22 wt.% Butanediol diglycidyl ether and the curing agent dicyanamide (56% by weight) + methylcyclohexyl-diamine (26% by weight) + 3,3 '- (4-methyl-1,3-phenylene) bis (1,1-dimethylurea), available under the trade name Uron Dyhard UR500, (18% by weight) in a mixing ratio of 100: 1 1.
  • the fiber mass fraction was calculated using the amount of glass material, core material, auxiliary materials used and the total weight of profiles for system A at 67% +/- 2% and for system B determined at 65% +/- 2%.
  • the spring bars were made with filament winding with 8 threads per layer with a multiple ring thread eye. Wrapped on a 7 mm steel core encased in a polyethylene hose with 10 mm outer diameter and 1 mm wall thickness, which has no significant effect on the strength and rigidity of the springs. The steel core was pulled after filament winding. The spring bars were placed on a tube of 80 mm
  • FIG. 8 gives the results thus determined for the shear modulus, the sustainable one
  • FIG. 9 shows the transmittable shear stress T max as a function of tan a.
  • Figure 9 shows that in a high pitch spring design, H is higher
  • Table 3 shows the comparison of shear strength and partly shear modulus for
  • Figure 10 shows the transmittable shear stress T max for two types of laminate in springs with a similar profile and different chemistry for the materials used. More precisely, in FIG. 10, the transmittable shear stress T max for an extruded profile in the form of
  • Standard laminate F (5/5) prepared with the chemistry according to systems A and B described above and for an extruded profile with a construction G according to the invention (3/7) prepared with the chemistry according to systems A and B described above.
  • the transmittable shear stress T max for the extruded profile with a construction G according to the invention (3/7) is higher than for the extruded profile in the form of standard laminate F (5/5), the chemistry used having a negligible influence the transmittable shear stress i max has.
  • the advantageous effect on the transmittable shear stress T max can be clearly seen on the basis of the present invention.

Abstract

Es wird ein Strangprofil (10) vorgeschlagen. Das Strangprofil (10) erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung (22), wobei das Strangprofil (10) einen um die Längserstreckungsrichtung (22) angeordneten ersten Schichtaufbau (24) und einen den ersten Schichtaufbau (24) umgebenden zweiten Schichtaufbau (32) aufweist, wobei der erste Schichtaufbau (24) eine erste Mehrzahl von Schichten (26) umfasst, wobei jede Schicht (26) des ersten Schichtaufbaus (24) mehrere Fasern (28) aufweist, wobei der zweite Schichtaufbau (32) eine zweite Mehrzahl von Schichten (34) umfasst, wobei jede Schicht (34) des zweiten Schichtaufbaus (32) mehrere Fasern (36) aufweist, wobei sich die Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (28) und die Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) jeweils in Langserstreckungsrichtungen (30, 38) erstrecken, wobei die Langserstreckungsrichtungen (30) der Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) und der Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) jeweils zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 30° bis 60° und bevorzugt in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert sind, wobei sich die Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) erstrecken, dass sie bei Soll- Torsionsbelastung des Strangprofils (10) in ihren Längserstreckungsrichtungen (30) auf Längsdruck beansprucht sind, wobei sich die Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) erstrecken, dass sie bei Soll-Torsionsbelastung des Strangprofils (10) in ihren Längserstreckungsrichtungen (38) auf Längszug beansprucht sind, wobei sich die Längserstreckungsrichtungen (30) der Fasern (28) benachbarter Schichten (26) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander unterscheiden, wobei sich die Längserstreckungsrichtungen (38) der Fasern (36) benachbarter Schichten (34) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander unterscheiden. Es wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Strangprofils (10) vorgeschlagen.

Description

Strangprofil und Verfahren zum Herstellen eines Strangprofils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strangprofil und ein Verfahren zum Herstellen eines Strangprofils.
In vielen technischen Bereichen kommen Strangprofile zum Einsatz. So werden
beispielsweise im kraftfahrzeugtechnischen Bereich metallische Strangprofile in Form einer Schraubenfeder gebogen. Es gibt jedoch Bedarf, das Gewicht von gebogenen Strangprofilen zu verringern. Beispielsweise besteht Bedarf das Gewicht von Federn für Kraftfahrzeuge zu verringern, um auf diese Weise das Gewicht des Fahrzeugs insgesamt zu verringern, was wiederum den Energieverbrauch und Schadstoffausstoß des Fahrzeugs reduzieren kann.
Gewicht lässt sich beispielsweise durch die Verwendung faserverstärkter Werkstoffe, sogenannte Faserverbundwerkstoffe, verringern. Faserverstärkte Werkstoffe enthalten als wesentliche Komponenten Fasern als Verstärkungsmaterial und ein Matrixsystem bzw.
Matrixmaterial, in das die Fasern eingebettet sind. Typischerweise basieren die Fasern auf Glas, Kohlenstoff, Aramid, Polyacrylnitril, Polyester oder Polyamid. Als Matrixsystem kommen meist duroplastische Polymere, beispielsweise Polyesterharze, Vinylesterharze, Polyurethanharze oder Epoxidharze, oder thermoplastische Polymere wie Polyamide, Polypropylene oder Polyethylene zum Einsatz.
Zur Herstellung von faserverstärkten Strangprofilen sind verschiedene Verfahren bekannt. Beim typischen Strangziehverfahren (Pultrusionsverfahren) werden die Fasern von Spulen abgerollt, mit dem Matrixsystem getränkt oder anderweitig benetzt, in die gewünschte Profilform gebracht und ausgehärtet. Dabei können die Fasern selbst die Profilform bilden oder sie können auf einen Grundkörper aufgebracht werden. Das Verfahren wird
üblicherweise kontinuierlich durchgeführt, indem das durch die getränkten Fasern gebildete Werkstück kontinuierlich durch die Anlage gezogen wird. Beim so genannten Filamentwindingverfahren werden die Fasern ebenfalls von Spulen abgerollt und mit dem Matrixsystem getränkt oder anderweitig benetzt. Hierbei handelt es sich allerdings standardmäßig um ein diskontinuierliches Verfahren, bei dem ein zu ummantelnder Kern oder Grundkörper rotiert und die Fasern durch eine axiale Hin- und Herbewegung so lange auf das Werkstück geführt und auf dieses aufgewickelt werden, bis die gewünschte Dicke der Faser-Kunststoff-Schicht erreicht ist.
Das so genannte Pullwindingverfahren stellt eine Kombination des Strangziehens und Filamentwindingverfahrens dar. Ein strangförmiges Werkstück wird durch die Anlage gezogen, während Faserspulen um das Werkstück rotieren, die Fasern getränkt oder benetzt werden und die benetzten Fasern auf dem Werkstück abgelegt werden. Dabei kann die
Benetzung auch erst auf dem Werkstück stattfinden Das strangförmige Werkstück kann ein vorgeformter Grundkörper sein, beispielsweise ein Rohr, es kann aber auch durch Fasern gebildet werden, die in einer ersten Stufe, beispielsweise im Strangziehverfahren in eine Profilform gebracht werden.
Allgemein werden solche Strangprofile dadurch hergestellt, dass mehrere Schichten, die aus dem Verbundwerkstoff bestehen, um einen Kern gewickelt werden. Die
Verbundwerkstoffschichten bestehen aus Fasern, die in eine Polymermatrix eingebettet sind. Das so hergestellte Strangprofil kann optional ummantelt werden. Weiterhin kann das Strangprofil gebogen werden, beispielsweise in Form einer Schraubenfeder. Die DE 38 24 933 A1 offenbart ein rohrförmiges, tordierbares Federelement hoher spezifischer Belastbarkeit, bestehend aus zumindest zwei konzentrisch ineinander angeordneten Rohrkörpern, die aus in einem Winkel zwischen 0° und 90° verlaufenden Fasern, Drähten, Stäben oder Lamellen gebildet sind, wobei die Wickelrichtung der
Rohrkörper gegenläufig ist und der innere Rohrkörper sich bei Torsionsbelastung neben der Verdrehung aufweitet und sich der äußere Rohrkörper zusammenzieht, und die beiden Rohrkörper sich zumindest ab einer definierten Torsionsbelastung aneinander abstützen. Zwischen den Rohrkörpern ist eine isolierende, begrenzt elastische Schicht angeordnet; ferner sind beide Rohrkörper an ihren Enden mit je einem gemeinsamen Krafteinleitungsteil verbunden.
Die EP 0 145 810 A1 offenbart eine elastische Welle, die aus mehreren koaxialen Schichten aufgebaut ist, die aus parallel liegenden Fasern bestehen, wobei sich die Fasern
benachbarter Schichten miteinander kreuzen. Die Welle kann mit Kunststoff vergossen sein. Bei Torsionsbeanspruchung werden alle Fasern der Welle auf Zug oder Druck beansprucht. Die Faseranordnung kann so gewählt werden, dass die Faserbelastung unabhängig vom Schichtdurchmesser überall annähernd gleich groß ist.
Die EP 0 637 700 A2 offenbart eine Spiralfeder aus kohlenstofffaserverstärktem Kunstharz mit einer spiralig gewundenen Schnur, die aus kohlenstofffaserverstärktem Kunstharz besteht, wobei die Kohlenstoffasern in einem Winkel von ± 30 bis ± 60° in Bezug auf die
Achse der Schnur ausgerichtet sind. Das Verhältnis der Mengen der Kohlenstoffasern A und B ist 1 ,1 < A/B < 4,0, wobei A die Menge an Kohlenstofffasern ist, die in der Richtung ausgerichtet sind, in der in Längsrichtung der Fasern eine Kompressionskraft ausgeübt wird, und B die Menge an Kohlenstofffasern ist, die in der Richtung ausgerichtet sind, in der in Längsrichtung der Fasern eine Zugkraft ausgeübt wird.
Die JP 2006-226327 A offenbart eine aus faserverstärktem Kunststoff hergestellte
Schraubenfeder, bei der das Federmaterial mehrere Schichten faserverstärkten Kunststoff mit einem Faserbündel aus Kohlenstofffaser oder Kohlenstofffaser mit Kunstharz imprägniert aufweist, die um einen geraden Kern in vorbestimmten Winkeln in der gleichen Richtung in Bezug auf die axiale Richtung des Kerns gewickelt sind. Die US 5,603,490 A offenbart faserverstärkte Kunststofffedern mit helikaler Faserwindung und genauer einen zylindrischen Torsionsstab oder eine spiralförmige Zug- oder Druckfeder mit einem Kern, der entweder unverstärkt, axial-faserverstärkt oder verdrillt faserverstärkt ist, und einer kontinuierlichen faserverstärkten Verbundhülle, die die meisten oder alle ihrer Fasern spiralförmig um den Kern angeordnet hat. Der Kern kann massiv oder hohl sein. Die Richtung der spiralförmigen Wicklung ist so gewählt, dass die Fasern in Längsrichtung unter Spannung gesetzt werden, wenn die Feder wie beabsichtigt verwendet wird. Eine
Mantelfaser-Windungssteigungswinkel von etwa 55 ° wird mit einem schwachen und unverstärkten Kern verwendet, während größere oder kleinere Steigungswinkel nur mit Kernen ausreichender Steifigkeit verwendet werden, um Axial-Normalspannung zu widerstehen.
Die WO 2014/014481 A1 offenbart eine Verbundwerkstoffschraubenfeder, die einen
Schraubenkörper aufweist, der sich entlang einer Wendelachse erstreckt. Der
Schraubenkörper weist einen Kern und eine Mehrzahl von Faserschichten auf, die mit einem Polymermaterial imprägniert sind. Die Mehrzahl von Faserschichten ist um den Kern in unterschiedlichen radialen Abständen von der Wendelachse angeordnet. Jede der Mehrzahl von Faserschichten erstreckt sich um die Wendelachse in einem spitzen Winkel zur
Faserachse. Jede der Mehrzahl von Faserschichten umfasst eine Anzahl von Fasern, die ein Produkt aus einer gemeinsamen Basisanzahl von Fasern multipliziert mit einer positiven ganzen Zahl ungleich Null aus einem Satz von positiven ganzen Zahlen ungleich Null ist. Die positive ganze Zahl ungleich Null von mindestens einer der mehreren Faserschichten unterscheidet sich von der positiven ganzen Zahl ungleich Null von mindestens einer anderen der Mehrzahl von Faserschichten.
Die FR 2859735 A1 offenbart eine Feder für Kraftfahrzeuge, die zwei oder mehr Schichten von Fasern aufweist, die in entgegengesetzten Richtungen um einen Kern gewickelt sind.
Die FR 2602461 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern, die aus Verbundwerkstoffen hergestellt sind.
Trotz der durch die bekannten Strangprofile und Verfahren zu deren Herstellung bewirkten Vorteile besteht nach wie vor ein Verbesserungsbedarf. Insbesondere besteht Bedarf, das Gewicht bei im Übrigen identischen oder sogar verbesserten qualitativen Eigenschaften weiter zu verringern.
Es stellt sich daher die Aufgabe, bekannte Strangprofile und Verfahren zur Herstellung von Strangprofilen dahingehend weiterzubilden, dass die Strangprofile eine erhöhte
Dauerfestigkeit und einen verringerten Schubmodul aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Strangprofil und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das notwendige Gewicht eines Strangprofils und insbesondere einer Schraubenfeder auf der Materialseite weiter verringert werden kann durch Einsatz von Materialien mit einer höheren Schubfestigkeit und einem geringeren Schubmodul. Ein weiterer Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, das Strangprofil mit einem dickschichtigen Aufbau auszubilden, bei dem die Fasern in Zugrichtung und die Fasern in Druckrichtung jeweils zusammen liegen, und bei dem es innerhalb der Faserschichten in Zugrichtung und Druckrichtung eine leichte lagenweise Modulation des Faserwinkels zur Erstreckungsrichtung des Strangprofils um einen mittleren Winkel gibt. Bevorzugt liegen die Fasern in Zugrichtung außen.
Ein erfindungsgemäßes Strangprofil weist einen Profilquerschnitt auf und erstreckt sich entlang einer Achse, die ggf. auch gebogen sein kann. Die Richtung der Achse wird als Längserstreckungsrichtung des Strangprofils bezeichnet. Das Strangprofil umfasst einen um die Längserstreckungsrichtung des Strangprofils angeordneten ersten Schichtaufbau und einen den ersten Schichtaufbau umgebenden zweiten Schichtaufbau. Der erste
Schichtaufbau umfasst eine erste Mehrzahl von Schichten, wobei jede Schicht des ersten Schichtaufbaus mehrere Fasern aufweist. Der zweite Schichtaufbau umfasst eine zweite Mehrzahl von Schichten, wobei jede Schicht des zweiten Schichtaufbaus mehrere Fasern aufweist. Die Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten und die Fasern der zweiten
Mehrzahl von Schichten erstrecken sich jeweils in Längserstreckungsrichtungen der Fasern. Die Längserstreckungsrichtungen der Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten und der Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten sind jeweils zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 30° bis 60° und bevorzugt in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Die Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten erstrecken sich derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils, dass sie bei Soll-Torsionsbelastung des Strangprofils in ihren Längserstreckungsrichtungen auf Längsdruck beansprucht sind. Die Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten erstrecken sich derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils, dass sie bei Soll-Torsionsbelastung des Strangprofils in ihren Längserstreckungsrichtungen auf Längszug beansprucht sind. Die Längserstreckungsrichtungen der Fasern benachbarter Schichten der ersten Mehrzahl von Schichten unterscheiden sich um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander. Die Längserstreckungsrichtungen der Fasern benachbarter Schichten der zweiten Mehrzahl von Schichten unterscheiden sich um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander.
Unter einem Strangprofil ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Werkstück zu verstehen, das durch Abwickeln von Fasern, Tränken der Fasern mit mindestens einem Matrixmaterial und Formen der Fasern zu einem vorbestimmten Profil gebildet ist. Das Strangprofil ist entsprechend aus mindestens einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Beispielsweise sind der erste Schichtaufbau und der zweite Schichtaufbau aus unterschiedlichen oder identischen Faserverbundwerkstoffen hergestellt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Strangprofil insbesondere ein durch ein Strangziehverfahren, Filamentwindingverfahren oder Pullwindingverfahren hergestelltes Werkstück. Es kann aber auch mit einem anderen Prozess wie zum Beispiel dem Aufwickeln von vorimprägnierten Fasergelegen zu Rohren hergestellt werden. Das Werkstück kann vorab auf eine bestimmte Länge zugeschnitten sein, es kann aber auch als Schlauchware in zunächst unbestimmter Länge vorliegen. Das Querschnittsprofil des Werkstücks kann über seine Länge konstant oder variabel sein. Beschränkt ist das Querschnittsprofil lediglich dadurch, dass seine größte Ausdehnung kleiner sein muss als ein Querschnitt einer Durchgangsbohrung einer
Vorrichtung zum Herstellen des Strangprofils. Das Werkstück kann hohl oder kompakt sein.
Unter einer Längserstreckungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden eine Erstreckung in einer Richtung parallel zur längsten Abmessung des jeweiligen Bauteils zu verstehen, wie beispielsweise der Achse des Strangprofils, die ggf. auch gebogen sein kann, oder der Richtung der Fasern.
Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse von flächenhafter Ausdehnung mit einer bestimmten Dicke zu verstehen, die deutlich kleiner als die die flächenhafte Ausdehnung bildenden Abmessungen ist.
Unter einem Schichtaufbau ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Ausbildung oder ein Aufbau zu verstehen, bei der oder bei dem mehrere Schichten übereinander angeordnet sind. Unter einer Faser ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein lineares, flexibles, elementares Gebilde zu verstehen, das aus einem Faserstoff besteht und eine äußere Faserform hat, die im Verhältnis zu ihrer Länge dünn ist. Die Faser kann (quasi-) endlos oder längenbegrenzt sein. Fasern können - ohne Abstützung durch eine umhüllende Matrix - in Längsrichtung keine Druckkräfte, sondern nur Zugkräfte aufnehmen, da sie bei
Druckbelastung knicken.
Unter Torsion sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Auswirkungen einer parallel zur Grundfläche und tangential zur Seitenfläche eines Körpers wirkenden Kraft zu verstehen, die das Strangprofil hauptsächlich um seine Längsachse verdreht.
Unter Soll-Torsionsbelastung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine
beanspruchungsgerechte Belastung des Strangprofils durch Torsion zu verstehen. Mit anderen Worten wirkt die Belastung durch Torsion in einer Drehrichtung, für die das
Strangprofil ausgelegt ist, durch Torsion in dieser Drehrichtung belastet zu werden.
Entsprechend wird ein Aufbau für das Strangprofil vorgeschlagen, bei dem ein erster Schichtaufbau nach außen hin von einem zweiten Schichtaufbau umgeben ist. Sowohl der erste Schichtaufbau als auch der zweite Schichtaufbau ist aus mehreren übereinander angeordneten Schichten ausgebildet. Jede der Schichten weist wiederum mehrere Fasern auf. Somit ist der erste Schichtaufbau umgeben von den Schichten des zweiten
Schichtaufbaus. Die Windungen oder Steigungen der Fasern der Schichten des ersten Schichtaufbaus unterscheiden sich dabei von den Windungen oder Steigungen zu den Fasern der Schichten des zweiten Schichtaufbaus. Mit anderen Worten sind die Fasern der Schichten des ersten Schichtaufbaus rechtssteigend und die Fasern der Schichten des zweiten Schichtaufbaus linkssteigend oder umgekehrt orientiert. Entsprechend wird anstelle eines sogenannten feinschichtigen Aufbaus, bei dem die Schichten mit Fasern
unterschiedlicher Windung abwechselnd übereinander angeordnet sind, ein grobschichtiger Aufbau vorgeschlagen, bei dem eine erste Anordnung von Schichten mit Fasern gleicher Windung übereinander vorgesehen ist, und dann auf diese erste Anordnung eine zweite Anordnung von Schichten mit Fasern gleicher Windung vorgesehen wird, wobei sich die Windungen der Fasern der ersten Anordnung von den Windungen der Fasern der zweiten Anordnung unterscheiden. Ein solcher Aufbau erhöht die Dauerfestigkeit und verringert den Schubmodul.
Zusätzlich unterscheiden sich die Orientierungen der Fasern benachbarter Schichten des jeweiligen Schichtaufbaus geringfügig voneinander. Mit anderen Worten sind die Fasern der jeweiligen Schichten des ersten Schichtaufbaus nicht parallel zueinander orientiert, sondern schneiden sich in einem sehr spitzen Winkel bei einer Draufsicht auf die Schichten. Ebenso sind die Fasern der jeweiligen Schichten des zweiten Schichtaufbaus nicht parallel zueinander orientiert, sondern schneiden sich in einem sehr spitzen Winkel bei einer Draufsicht auf die Schichten. Ein solcher Aufbau wirkt rissstoppend. Der zweite Schichtaufbau kann mehr Fasern als der erste Schichtaufbau umfassen.
Entsprechend werden mehr auf Zug als auf Druck beanspruchbare Fasern vorgesehen. Dies kann dadurch realisiert werden, dass der zweite Schichtaufbau mehr Schichten umfasst als der erste Schichtaufbau, wobei die Anzahl der Fasern pro Schicht identisch ist. Durch einen solchen Aufbau wird das Strangprofil stärker auf Torsion belastbar.
Beispielsweise ist die Anzahl der Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten um einen Faktor 1 ,5 bis 9, bevorzugt 1 ,5 bis 4, besonders bevorzugt 2 bis 3 größer als die Anzahl der Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten. Dadurch wird ein besonders auf Torsion belastbares Strangprofil erhalten.
Die erste Mehrzahl von Schichten und die zweite Mehrzahl von Schichten können unterschiedliche Faservolumenanteile aufweisen. Die erste Mehrzahl von Schichten kann einen Faservolumenanteil von 40% bis 70% bezogen auf das Volumen der ersten
Schichtaufbaus aufweisen, um die in Längsrichtung unter Druck gesetzten Fasern in einem möglichst steifen Materialverbund seitlich abzustützen, und die zweite Mehrzahl von
Schichten kann einen Faservolumenanteil von 35% bis 60% bezogen auf das Volumen des zweiten Schichtaufbaus aufweisen, um die in Längsrichtung unter Zug gesetzten Fasern in einer relativ weicheren Umgebung vor der Fortpflanzung von Mikrorissen und Ankerbung durch Mikrorisse zu schonen.
Die Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten können in ein erstes Matrix-Material eingebettet sein. Die Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten können in ein zweites Matrix-Material eingebettet sein. Dabei unterscheidet sich das zweite Matrix-Material von dem ersten Matrix-Material. So weist das erste Matrix-Material eine hohe Steifigkeit mit einem Zugmodul von mehr als 2,9 GPa auf, um die in Längsrichtung unter Druck gesetzten Fasern seitlich abzustützen, wohingegen das zweite Matrix-Material eine hohe Zähigkeit aufweist, um bei den in Längsrichtung unter Zug gesetzten Fasern mögliche Mikrorisse zu stoppen.
Unter einem Matrix-Material ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes Material zu verstehen, das geeignet ist, die Fasern nach Ablage in ihrer Position zu fixieren. Als Matrix- Material kommen meist duroplastische Polymere, beispielsweise Polyesterharze,
Vinylesterharze, Polyurethanharze oder Epoxidharze, oder thermoplastische Polymere wie Polyamide, Polypropylene oder Polyethylene zum Einsatz, die bevorzugt hohe
Erweichungstemperatur, Medienbeständigkeit, Ermüdungsfestigkeit und einfache
Verarbeitbarkeit vereinbaren.
Die Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten und die Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten können mit unterschiedlichen Tränkmitteln getränkt sein, wenn der erste
Schichtaufbau von dem zweiten Schichtaufbau durch eine für die Tränkmittel undurchlässige Schicht voneinander getrennt ist. Eine solche Schicht wirkt rissstoppend, so dass sich ein möglicher Riss in dem ersten Schichtaufbau nicht zu dem zweiten Schichtaufbau ausbreiten kann und umgekehrt.
Unter einem Tränkmittel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich jedes Matrix-Material zu verstehen, das durch Aushärtung, wie beispielsweise durch
Polymerisation, zur Verklebung der Fasern und Schichten untereinander und damit zu einer Verfestigung des Faserverbundwerkstoffes führt. Als Tränkmittel wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Monomer- oder Polymer-basierte Flüssigkeit verwendet. Insbesondere kann das Tränkmittel ein bei der Verarbeitung flüssiges Matrix- Material, wie beispielsweise ein reaktionsfähiges, flüssiges Duroplast-System auf Basis von beispielsweise Polyurethan, Polyester, Vinylester, Epoxidharz, oder ein reaktionsfähiges Thermoplast-System auf Basis von Caprolactam, Polyacryl, oder eine Thermoplast- Schmelze beispielsweise auf Basis von Polypropylen, Polyethylen, Polyamid sein.
Die Fasern des zweiten Schichtaufbaus können als Rovings mit einem Filament- Durchmesser ausgebildet sein, der kleiner als ein Filament-Durchmesser der Fasern des ersten Schichtaufbaus ist, da dadurch im Bereich der in Längsrichtung auf Zug
beanspruchten Fasern höhere Zugfestigkeiten erreicht werden können. Unter einem Roving ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bündel, Strang oder Multifilamentgarn aus parallel angeordneten Filamenten, d.h. Endlosfasern, zu verstehen. Bevorzugt werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus Glas hergestellte Filamente zu Rovings zusammengefasst, jedoch sind auch andere Materialien grundsätzlich im
Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar, wie beispielsweise Aramid oder Kohlenstoff.
Das Strangprofil kann einen Kern aufweisen, auf dem der erste Schichtaufbau angeordnet ist. Der Kern kann eine Anordnung verdrillter Fasern, ein Vollkern, ein ummantelter Vollkern, ein Hohlkern oder ein ummantelter Hohlkern sein.
Unter einem Kern ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil oder Element zu verstehen, das zur Ablage der Fasern vorgesehen ist. Mit anderen Worten kann ein Kern jedes Bauteil oder Element sein, das eine Ablagefläche aufweist, auf der Fasern abgelegt werden können.
Im Fall verdrillter Fasern sind die Fasern untereinander verdrillt. Damit sind grundsätzlich viele Arten von Kernen im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Der Querschnitt des Kerns ist dabei bevorzugt kreisförmig, kann jedoch grundsätzlich, oval, elliptisch, mehreckig oder mehreckig mit abgerundeten Ecken sein. Ein Hohlkern verringert im
Vergleich zu einem Vollkern das Gewicht.
Bevorzugt besteht der erste Schichtaufbau aus der ersten Mehrzahl von Schichten und besteht der zweite Schichtaufbau aus der zweiten Mehrzahl von Schichten. Damit wird ein besonders dauerstabiles Strangprofil angegeben.
Das Strangprofil kann gebogen sein. Somit wird eine höhere Formenvielfalt erzielt.
Das Strangprofil kann in Form einer Schraubenfeder gebogen sein. Eine solche Art von Schraubenfeder ist dauerstabil und von deutlich geringerem Gewicht als Schraubenfedern aus Metall oder Stahl.
Die Schraubenfeder kann mindestens eine Steigung H, einen Federdurchmesser D und einen Steigungswinkel a, aufweisen, wobei ein Verhältnis tan a = Η/(π * D) nicht größer als 0,22 und bevorzugt nicht größer als 0,21 ist. Eine solche spezielle Geometrie erweist sich als besonders dauerstabil, da der Querschnitt des Strangprofils überwiegend durch Torsion und weniger durch Biegung beansprucht wird. Es wird explizit betont, dass die Steigung nicht über alle Windungen der Schraubenfeder konstant sein muss, sondern in verschiedenen Abschnitten der Windungen variieren kann. Beispielsweise ist die Steigung der Windungen an den äußeren Enden der Schraubenfeder kleiner als in einem mittleren Bereich der Schraubenfeder.
Das Strangprofil kann als rechtsdrehende Druckfeder oder linksdrehende Zugfeder ausgebildet sein. Dabei sind die Längserstreckungsrichtungen der Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert und sind die Längserstreckungsrichtungen der Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten linksgängig zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Diese Kombination der Ausbildung der Fasern in der ersten und in der zweiten Mehrzahl von Schichten erweist sich als besonders gut auf Torsion belastbar.
Alternativ kann das Strangprofil als linksdrehende Druckfeder oder rechtsdrehende Zugfeder ausgebildet sein. Dabei sind die Längserstreckungsrichtungen der Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten linksgängig zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert und sind die Längserstreckungsrichtungen der Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Diese Kombination der Ausbildung der Fasern in der ersten und in der zweiten Mehrzahl von Schichten erweist sich als besonders gut auf Torsion belastbar.
Bevorzugt sind die Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten und die Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten Glasfasern. Derartige Fasern sind besonders gut zu verarbeiten und dauerstabil bzw. weisen eine hohe Ermüdungsfestigkeit auf.
Unter einer Glasfaser ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine aus Glas bestehende lange dünne Faser zu verstehen. Zur Herstellung werden aus einer Glasschmelze dünne Fäden gezogen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Strangprofils, bevorzugt eines Strangprofils wie zuvor gemäß der Erfindung beschrieben, umfasst:
(i) Bereitstellen eines Kerns, der sich zum Definieren einer Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einer Längserstreckungsrichtung erstreckt,
(ii) Anordnen eines ersten Schichtaufbaus um den Kern, wobei der erste Schichtaufbau aus einer ersten Mehrzahl von Schichten ausgebildet wird, wobei jede Schicht des ersten Schichtaufbaus mehrere Fasern aufweist,
(iii) Anordnen eines zweiten Schichtaufbaus um den ersten Schichtaufbau, wobei der zweite Schichtaufbau aus einer zweiten Mehrzahl von Schichten ausgebildet wird, wobei jede Schicht des zweiten Schichtaufbaus mehrere Fasern aufweist, wobei sich die Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten und die Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten jeweils in Längserstreckungsrichtungen erstrecken, wobei die
Längserstreckungsrichtungen der Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten und der Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten jeweils zu der
Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 30° bis 60° und bevorzugt in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert sind, wobei sich die Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils erstrecken, dass sie bei Soll- Torsionsbelastung des Strangprofils in ihren Längserstreckungsrichtungen auf Längsdruck beansprucht sind, wobei sich die Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils erstrecken, dass sie bei Soll-Torsionsbelastung des Strangprofils in ihren
Längserstreckungsrichtungen auf Längszug beansprucht sind, wobei sich die Längserstreckungsrichtungen der Fasern benachbarter Schichten der ersten
Mehrzahl von Schichten um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander
unterscheiden, wobei sich die Längserstreckungsrichtungen der Fasern benachbarter
Schichten der zweiten Mehrzahl von Schichten um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander unterscheiden, und
(iv) Entfernen des Kerns oder Belassen des Kerns in dem ersten Schichtaufbau.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Herstellen des Strangprofils mit einem Aufbau vorgeschlagen, bei dem sich im Inneren ein Kern befindet, der in einer Richtung nach außen von einem ersten Schichtaufbau und darauf folgend von einem zweiten Schichtaufbau umgeben ist. Sowohl der erste Schichtaufbau als auch der zweite Schichtaufbau ist aus mehreren übereinander angeordneten Schichten ausgebildet. Jede der Schichten weist wiederum mehrere Fasern auf. Somit ist der Kern nach außen hin zuerst von den Schichten des ersten Schichtaufbaus umgeben und dann von den Schichten des zweiten
Schichtaufbaus. Die Windungen oder Steigungen der Fasern der Schichten des ersten Schichtaufbaus unterscheiden sich dabei von den Windungen oder Steigungen zu den Fasern der Schichten des zweiten Schichtaufbaus. Mit anderen Worten sind die Fasern der Schichten des ersten Schichtaufbaus rechtssteigend und die Fasern der Schichten des zweiten Schichtaufbaus linkssteigend oder umgekehrt orientiert. Entsprechend wird anstelle eines sogenannten feinschichtigen Aufbaus, bei dem die Schichten mit Fasern
unterschiedlicher Windung abwechselnd übereinander angeordnet sind, ein grobschichtiger Aufbau vorgeschlagen, bei dem eine erste Anordnung von Schichten mit Fasern gleicher Windung übereinander vorgesehen ist, und dann auf diese erste Anordnung eine zweite Anordnung von Schichten mit Fasern gleicher Windung vorgesehen wird, wobei sich die Windungen der Fasern der ersten Anordnung von den Windungen der Fasern der zweiten Anordnung unterscheiden. Ein solcher Aufbau erhöht die Dauerfestigkeit und verringert den Schubmodul.
Zusätzlich unterscheiden sich die Orientierungen der Fasern benachbarter Schichten des jeweiligen Schichtaufbaus geringfügig voneinander. Mit anderen Worten sind die Fasern der jeweiligen Schichten des ersten Schichtaufbaus nicht parallel zueinander orientiert, sondern schneiden sich in einem sehr spitzen Winkel bei einer Draufsicht auf die Schichten. Ebenso sind die Fasern der jeweiligen Schichten des zweiten Schichtaufbaus nicht parallel zueinander orientiert, sondern schneiden sich in einem sehr spitzen Winkel bei einer Draufsicht auf die Schichten. Ein solcher Aufbau wirkt rissstoppend. Wird der Kern entfernt, wird das Gewicht des Strangprofils weiter verringert. Verbleibt der Kern, kann dies das Strangprofil stabilisieren.
Der zweite Schichtaufbau kann mit mehr Fasern als der erste Schichtaufbau ausgebildet werden. Entsprechend werden mehr auf Zug als auf Druck beanspruchbare Fasern vorgesehen. Dies kann dadurch realisiert werden, dass der zweite Schichtaufbau mehr Schichten umfasst als der erste Schichtaufbau, wobei die Anzahl der Fasern pro Schicht identisch ist. Alternativ können aber auch die Anzahl der Fasern pro Schicht und/oder der Faservolumenanteil pro Schicht gezielt variiert werden. Durch einen solchen Aufbau wird das Strangprofil stärker auf Torsion belastbar. Mit anderen Worten wird durch einen solchen Aufbau die Rissbildungsgrenze hin zu höheren Torsionslasten verschoben.
Die Anzahl der Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten kann um einen Faktor 1 ,5 bis 9, bevorzugt 1 ,5 bis 4, besonders bevorzugt 2 bis 3 größer als die Anzahl der Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten sein. Dadurch wird ein besonders auf Torsion belastbares
Strangprofil vorgesehen.
Die erste Mehrzahl von Schichten und die zweite Mehrzahl von Schichten können mit unterschiedlichen Faservolumenanteilen ausgebildet werden, wobei die erste Mehrzahl von Schichten einen Faservolumenanteil von 40% bis 70% bezogen auf das Volumen der ersten Schichtaufbaus aufweist, wobei die zweite Mehrzahl von Schichten einen
Faservolumenanteil von 35% bis 60% bezogen auf das Volumen der zweiten Schichtaufbaus aufweist. Innerhalb der ersten und zweiten Mehrzahl von Schichten kann der
Faservolumenanteil ebenfalls leicht variiert werden, um den Traganteil einzelner Schichten zueinander abzustimmen.
Die Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten können in ein erstes Matrix-Material eingebettet werden und die Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten können in ein zweites Matrix-Material eingebettet werden. Dabei kann sich das zweite Matrix-Material von dem ersten Matrix-Material unterscheiden. Das erste Matrix-Material kann eine hohe Steifigkeit mit einem Zugmodul von mehr als 2,9 GPa aufweisen und das zweite Matrix- Material kann eine hohe Zähigkeit aufweisen.
Die Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten und die Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten können mit einem unterschiedlichen Tränkmitteln getränkt werden, wenn der erste Schichtaufbau von dem zweiten Schichtaufbau durch eine für die Tränkmittel undurchlässige Schicht voneinander getrennt wird. Eine solche Schicht wirkt rissstoppend, so dass sich ein möglicher Riss in dem ersten Schichtaufbau nicht zu dem zweiten Schichtaufbau ausbreiten kann und umgekehrt.
Die Fasern des zweiten Schichtaufbaus können als Rovings mit einem Filament- Durchmesser ausgebildet werden, der kleiner als ein Filament-Durchmesser der Fasern des ersten Schichtaufbaus ist. Der Kern kann eine Anordnung verdrillter Fasern, ein Vollkern, ein ummantelter Vollkern, ein Hohlkern oder ein ummantelter Hohlkern sein. Damit sind grundsätzlich viele Arten von Kernen im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Der Querschnitt des Strangprofils ist dabei bevorzugt kreisförmig, kann jedoch grundsätzlich, oval, elliptisch, mehreckig oder mehreckig mit abgerundeten Ecken sein. Ein Hohlkern verringert im Vergleich zu einem Vollkern das Gewicht.
Der erste Schichtaufbau kann aus der ersten Mehrzahl von Schichten bestehen und der zweite Schichtaufbau kann aus der zweiten Mehrzahl von Schichten bestehen. Damit wird ein besonders dauerfestes bzw. ermüdungsfestes Strangprofil angegeben.
Die Fasern des ersten Schichtaufbaus und/oder die Fasern des zweiten Schichtaufbaus können mittels Filamentwinding oder mittels Pullwinding angeordnet werden. Damit können die Fasern besonders genau ausgerichtet angeordnet werden.
Das Verfahren kann weiterhin Biegen des Strangprofils umfassen. Somit wird eine höhere Formenvielfalt erzielt. Das Verfahren kann weiterhin Biegen des Strangprofils in Form einer Schraubenfeder umfassen. Eine solche Art von Schraubenfeder ist hoch dauerfest bzw. ermüdungsfest und von deutlich geringerem Gewicht als Schraubenfedern aus Stahl.
Die Schraubenfeder kann mindestens eine Steigung H, einen Federdurchmesser D und einen Steigungswinkel a, aufweisen, wobei ein Verhältnis tan a = Η/(π* D) nicht größer als 0,22 und bevorzugt nicht größer als 0,21 ist. Eine solche spezielle Geometrie erweist sich als besonders dauerfest bzw. ermüdungsfest.
Das Strangprofil kann als rechtsdrehende Druckfeder oder linksdrehende Zugfeder ausgebildet werden, wobei die Längserstreckungsrichtungen der Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert werden, wobei die Längserstreckungsrichtungen der Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten linksgängig zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert werden. Diese Ausbildung der Fasern in der ersten und in der zweiten Mehrzahl von Schichten erweist sich als besonders gut auf Torsion belastbar.
Alternativ kann das Strangprofil als linksdrehende Druckfeder oder rechtsdrehende Zugfeder ausgebildet werden, wobei die Längserstreckungsrichtungen der Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten linksgängig zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert werden, wobei die Längserstreckungsrichtungen der Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung des Strangprofils in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert werden. Diese Ausbildung der Fasern in der ersten und in der zweiten Mehrzahl von Schichten erweist sich als besonders gut auf Torsion belastbar. Die Fasern der ersten Mehrzahl von Schichten und die Fasern der zweiten Mehrzahl von Schichten sind bevorzugt Glasfasern. Derartige Fasern sind besonders gut zu verarbeiten und verfügen über eine hohe Ermüdungsfestigkeit.
Erfindungsgemäß wird ein Strangprofil vorgeschlagen, das gemäß einem der zuvor beschriebenen Verfahren erhalten oder erhältlich ist. Damit lässt sich das Strangprofil mit den zuvor beschriebenen Vorteilen des Verfahrens herstellen.
Erfindungsgemäß wird die Verwendung eines zuvor beschriebenen Strangprofils als Feder in einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Damit kann in dem Kraftfahrzeug eine Feder verwendet werden, die von vergleichsweise geringem Gewicht und dennoch betriebsfest ist.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder
Ausgestaltungsvarianten.
Es zeigen: Figur 1 eine Seitenansicht eines Strangprofils,
Figur 2 eine Seitenansicht eines Strangprofils gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figuren 3A bis 3E jeweils eine Draufsicht auf den ersten Schichtaufbau und Beispiele für möglich Orientierungen der Fasern des ersten Schichtaufbaus,
Figur 4 eine Seitenansicht eines Strangprofils gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Figur 5 eine Seitenansicht eines Strangprofils gemäß einer dritten Ausführungsform,
Figur 6 eine Seitenansicht eines Strangprofils gemäß einer vierten Ausführungsform,
Figuren 7A bis 7D verschiedene Schritte eine Verfahrens zum Herstellen eines Strangprofils, Figur 8 Ergebnisse für das Schubmodul, die Schubfestigkeit und das Verhältnis von
Schubmodul zu der quadrierten Schubfestigkeit,
Figur 9 die ertragbare Schubspannung Tmax in Abhängigkeit von tan a und. Figur 10 die ertragbare Schubspannung Tmax für zwei Laminat-Typen in Federn mit ähnlichem Profil und unterschiedlicher Chemie für die verwendeten Materialien.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Strangprofils 10, das in Form einer rechtsdrehenden Schraubenfeder 12 gebogen ist. Entsprechend ist das Strangprofil 10 rechtsdrehend um eine Symmetrieachse 14 gewunden. Zu Erläuterungszwecken sind bestimmte Kenngrößen der Schraubenfeder 12 in Figur 1 angegeben. Die Schraubenfeder 12 weist einen
Außendurchmesser de des Strangprofils 10 auf. Das Strangprofil 10 kann rohrförmig ausgebildet sein und somit einen Innendurchmesser d, aufweisen. Die Schraubenfeder 12 weist weiterhin eine Steigung H, einen Federdurchmesser D und einen Steigungswinkel a auf. Die Steigung H ist dabei als Abstand von Mittelpunkten benachbarter Windungen in einer Richtung parallel zur Symmetrieachse 14 definiert. Der Federdurchmesser D ist dabei als Abstand von Mittelpunkten benachbarter Windungen in einer Richtung senkrecht zur
Symmetrieachse 14 definiert. Der Steigungswinkel a ist als Winkel zwischen einer Mittellinie 16 des Strangprofils 10 und einer Ebene 18 senkrecht zur Symmetrieachse 14 definiert.
Figur 2 zeigt eine Seitenansicht eines Strangprofils 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Strangprofil 10 ist in Form einer rechtsdrehenden
Schraubenfeder 12 gebogen. Die Schraubenfeder 12 weist eine Steigung H, einen
Federdurchmesser D und einen Steigungswinkel a auf, wobei ein Verhältnis tan a = Η/(π* D) nicht größer als 0,22 und bevorzugt nicht größer als 0,21 ist. Die Schraubenfeder 12 ist eine rechtsdrehende Druckfeder, wie durch Pfeile 20 angedeutet ist. Das Strangprofil 10 erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung 22. Das Strangprofil 10 weist einen um die
Längserstreckungsrichtung 22 angeordneten ersten Schichtaufbau 24 auf. Der erste
Schichtaufbau 24 weist eine erste Mehrzahl von Schichten 26 auf, von denen in Figur 2 lediglich eine angedeutet ist. Bevorzugt besteht der erste Schichtaufbau 24 aus der ersten Mehrzahl von Schichten 26. Jede Schicht 26 des ersten Schichtaufbaus 24 weist mehrere Fasern 28 auf. Die Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 erstrecken sich jeweils in Längserstreckungsrichtungen 30. Die Längserstreckungsrichtungen 30 der Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 sind jeweils zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 30° bis 60° und bevorzugt in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Die Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 erstrecken sich derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung 22 des
Strangprofils 10, dass sie bei Soll-Torsionsbelastung des Strangprofils 10 in ihren
Längserstreckungsrichtungen 30 auf Längsdruck beansprucht sind. Bei der ersten
Ausführungsform sind die Längserstreckungsrichtungen 30 der Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung 22 des
Strangprofils 10 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Das Strangprofil 10 weist weiterhin einen den ersten Schichtaufbau 24 umgebenden zweiten Schichtaufbau 32 auf. Der zweite Schichtaufbau 32 weist eine zweite Mehrzahl von
Schichten 34 auf, von denen in Figur 2 lediglich eine angedeutet ist. Bevorzugt besteht der zweite Schichtaufbau 32 aus der zweiten Mehrzahl von Schichten 34. Jede Schicht 34 des zweiten Schichtaufbaus 32 weist mehrere Fasern 36 auf. Die Fasern 36 der zweiten
Mehrzahl von Schichten 34 erstrecken sich jeweils in Längserstreckungsrichtungen 38. Die Längserstreckungsrichtungen 38 der Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 sind jeweils zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 30° bis 60° und bevorzugt in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Die Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 erstrecken sich derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10, dass sie bei Soll- Torsionsbelastung des Strangprofils 10 in ihren Längserstreckungsrichtungen 38 auf Längszug beansprucht sind. Bei der ersten Ausführungsform sind die
Längserstreckungsrichtungen 38 der Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 linksgängig zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 22 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert.
Die Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 und die Fasern 36 der zweiten
Mehrzahl von Schichten 34 sind Glasfasern. Der zweite Schichtaufbau 32 umfasst mehr Fasern 36 als der erste Schichtaufbau 24. So ist die Anzahl der Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 um einen Faktor 1 ,5 bis 9, bevorzugt 1 ,5 bis 4, besonders bevorzugt 2 bis 3 größer als die Anzahl der Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26. Die erste Mehrzahl von Schichten 26 und die zweite Mehrzahl von Schichten 34 weisen unterschiedliche Faservolumenanteile auf. So weist die erste Mehrzahl von Schichten 34 einen Faservolumenanteil von 50% bis 70% bezogen auf das Volumen der ersten
Schichtaufbaus 24 auf und die zweite Mehrzahl von Schichten 34 weist einen
Faservolumenanteil von 35% bis 60% bezogen auf das Volumen der zweiten Schichtaufbaus 32 auf. Die Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 sind in ein erstes Matrix- Material eingebettet. Die Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 sind in ein zweites Matrix-Material eingebettet. Das zweite Matrix-Material unterscheidet sich optional von dem ersten Matrix-Material. Im Fall unterschiedlicher Matrix-Materialien weist das erste Matrix-Material eine hohe Steifigkeit mit einem Zugmodul bevorzugt von mehr als 2,9 GPa auf und das zweite Matrix-Material weist eine hohe Zähigkeit auf. Die Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 sind mit einem ersten Tränkmittel getränkt und die Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 sind mit einem zweiten Tränkmittel getränkt. Der erste Schichtaufbau 24 ist von dem zweiten Schichtaufbau 32 optional durch eine für das erste Tränkmittel und das zweite Tränkmittel undurchlässige Schicht voneinander getrennt. Das erste Tränkmittel unterscheidet sich von dem zweiten Tränkmittel. Die Fasern 36 des zweiten Schichtaufbaus 32 sind als Rovings mit einem Filament-Durchmesser ausgebildet, der optional kleiner als ein Filament-Durchmesser der Fasern 28 des ersten Schichtaufbaus 24 ist. Optional kann das Strangprofil 10 einen Kern aufweisen, auf dem der erste
Schichtaufbau 24 angeordnet ist. Der Kern kann eine Anordnung verdrillter Fasern, ein Vollkern, ein ummantelter Vollkern, ein Hohlkern oder ein ummantelter Hohlkern sein. Der Kern kann im fertigen Werkstück verbleiben oder auch entfernt werden.
Bei dem Strangprofil 10 unterscheiden sich die Langserstreckungsrichtungen 30 der Fasern 28 benachbarter Schichten 26 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander. Außerdem unterscheiden sich die Langserstreckungsrichtungen 38 der Fasern 36 benachbarter Schichten 34 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander. Dies wird nachstehend anhand des ersten
Schichtaufbaus 24 näher erläutert, wobei die Erläuterungen für den zweiten Schichtaufbau 32 analog gelten.
Die Figuren 3A bis 3E zeigen jeweils eine Draufsicht auf den ersten Schichtaufbau 24 und Beispiele für möglich Orientierungen der Fasern 28 des ersten Schichtaufbaus 24. Gezeigt sind lediglich als Beispiel eine erste Schicht 26a, eine zweite Schicht 26b und eine dritte Schicht 26c des ersten Schichtaufbaus 24, die in der angegebenen Reihenfolge
übereinander angeordnet sind. Die erste Schicht 26a weist eine erste Mehrzahl von Fasern 28a auf. Die zweite Schicht 26b weist eine zweite Mehrzahl von Fasern 28b auf. Die dritte Schicht 26c weist eine dritte Mehrzahl von Fasern 28c auf. Von den Fasern 28a, 28b, 28c sind aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur eine dargestellt. Alternativ im Fall von lediglich zwei Schichten können die Fasern 28a und 28c um eine imaginäre Symmetrielinie variieren, die den Verlauf der Faser 28b aufweist. In Figur 3A erstrecken sich die zweite Mehrzahl von Fasern 28b in einem Winkel von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° im Uhrzeigersinn gesehen zu der ersten Mehrzahl von Fasern 28a. Außerdem erstrecken sich die dritte Mehrzahl von Fasern 28c in einem Winkel von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° im Uhrzeigersinn gesehen zu der zweiten Mehrzahl von Fasern 28b.
In Figur 3B erstrecken sich die zweite Mehrzahl von Fasern 28b in einem Winkel von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6°gegen den Uhrzeigersinn gesehen zu der ersten Mehrzahl von Fasern 28a. Außerdem erstrecken sich die dritte Mehrzahl von Fasern 28c in einem Winkel von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° gegen den Uhrzeigersinn gesehen zu der zweiten Mehrzahl von Fasern 28b.
In Figur 3C erstrecken sich die zweite Mehrzahl von Fasern 28b in einem Winkel von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6°im Uhrzeigersinn gesehen zu der ersten Mehrzahl von Fasern 28a. Außerdem erstrecken sich die dritte Mehrzahl von Fasern 28c in einem Winkel von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6°gegen Uhrzeigersinn gesehen zu der ersten Mehrzahl von Fasern 28a. In Figur 3D erstrecken sich die zweite Mehrzahl von Fasern 28b in einem Winkel von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6°gegen Uhrzeigersinn gesehen zu der ersten Mehrzahl von Fasern 28a. Außerdem erstrecken sich die dritte Mehrzahl von Fasern 28c in einem Winkel von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6°im Uhrzeigersinn gesehen zu der ersten Mehrzahl von Fasern 28a.
Es versteht sich, dass die jeweiligen Winkel in ihrem Betrag nicht identisch sein müssen.
Figur 3E zeigt eine Anordnung, bei der sich jeweils die Fasern 28a, 28c jeder zweiten Schicht 26a, 26c des gleichen Schichtaufbaus 24 parallel zueinander erstrecken.
Entsprechend überlappen die Fasern 28a, 28c in der Draufsicht der Figur 3E.
Figur 4 zeigt eine Seitenansicht eines Strangprofils 10 gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die
Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Strangprofil 10 ist in Form einer linksdrehenden Schraubenfeder 12 gebogen. Die Schraubenfeder 12 ist eine linksdrehende Druckfeder, wie durch Pfeile 20 angedeutet ist. Bei der zweiten Ausführungsform sind die
Langserstreckungsnchtungen 30 der Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 linksgängig zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Außerdem sind bei der zweiten Ausführungsform die Längserstreckungsrichtungen 38 der Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 22 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert.
Figur 5 zeigt eine Seitenansicht eines Strangprofils 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Strangprofil 10 ist in Form einer rechtsdrehenden Schraubenfeder 12 gebogen. Die Schraubenfeder 12 ist eine rechtsdrehende Zugfeder, wie durch Pfeile 20 angedeutet ist. Bei der dritten Ausführungsform sind die Längserstreckungsrichtungen 30 der Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 linksgängig zu der
Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Außerdem sind bei der dritten Ausführungsform die Längserstreckungsrichtungen 38 der Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 22 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert.
Figur 6 zeigt eine Seitenansicht eines Strangprofils 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Strangprofil 10 ist in Form einer linksdrehenden Schraubenfeder 12 gebogen. Die Schraubenfeder 12 ist eine linksdrehende Zugfeder, wie durch Pfeile 20 angedeutet ist. Bei der vierten Ausführungsform sind die Langserstreckungsnchtungen 30 der Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Außerdem sind bei der vierten Ausführungsform die Langserstreckungsnchtungen 38 der Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 linksgängig zu der
Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 22 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen eines Strangprofils 10 beschrieben. Das Verfahren wird dabei unter Bezugnahme auf eine Herstellung eines Strangprofils 10 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Das Verfahren eignet sich jedoch ebenso zur Herstellung eines Strangprofils gemäß der zweiten bis vierten Ausführungsform.
Die Figuren 7A bis 7D zeigen dabei verschiedene Schritte des Verfahrens. Wie in Figur 7A gezeigt, wird zunächst ein Kern 40 bereitgestellt. Der Kern 40 erstreckt sich zum Definieren der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10 in einer Längserstreckungsrichtung. Der Kern 40 erstreckt sich beispielsweise gerade. Der Kern 40 kann eine Anordnung verdrillter Fasern, ein Vollkern, ein ummantelter Vollkern, ein Hohlkern oder ein ummantelter Hohlkern sein. Wie in Figur 7B gezeigt wird auf den Kern 40 um die
Längserstreckungsrichtung 22 der erste Schichtaufbau 24 angeordnet. Der erste
Schichtaufbau 24 weist die erste Mehrzahl von Schichten 26 auf. Bevorzugt besteht der erste Schichtaufbau 24 aus der ersten Mehrzahl von Schichten 26. Jede Schicht 26 des ersten Schichtaufbaus 24 weist mehrere Fasern 28 auf, von denen in Figur 7B lediglich eine dargestellt ist. Die Fasern 28 können beispielsweise mittels Filamentwinding auf dem Kern 40 angeordnet werden. Die Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 erstrecken sich jeweils in Längserstreckungsrichtungen 30. Die Längserstreckungsrichtungen 30 der Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 werden jeweils zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 30° bis 60° und bevorzugt in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Die Fasern 28 der ersten
Mehrzahl von Schichten 26 erstrecken sich derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10, dass sie bei Soll-Torsionsbelastung des Strangprofils 10 in ihren Längserstreckungsrichtungen 30 auf Längsdruck beansprucht sind. Bei der gezeigten Ausführungsform werden die Längserstreckungsrichtungen 30 der Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung 22 des
Strangprofils 10 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert.
Wie in Figur 7C gezeigt, wird auf dem ersten Schichtaufbau 24 diesen umgebend der zweite Schichtaufbau 32 angeordnet. Der zweite Schichtaufbau 32 weist die zweite Mehrzahl von Schichten 34 auf. Bevorzugt besteht der zweite Schichtaufbau 32 aus der zweiten Mehrzahl von Schichten 34. Jede Schicht 34 des zweiten Schichtaufbaus 32 weist mehrere Fasern 36 auf, von denen in Figur 7C lediglich eine dargestellt ist. Die Fasern 36 können beispielsweise mittels Filamentwinding oder Pullwinding auf dem ersten Schichtaufbau 24 angeordnet werden. Die Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 erstrecken sich jeweils in Längserstreckungsrichtungen 38. Die Längserstreckungsrichtungen 38 der Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 werden jeweils zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 30° bis 60° und bevorzugt in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert. Die Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 erstrecken sich derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung 22 des Strangprofils 10, dass sie bei Soll-Torsionsbelastung des Strangprofils 10 in ihren
Längserstreckungsrichtungen 38 auf Längszug beansprucht sind. Bei der ersten
Ausführungsform werden die Längserstreckungsrichtungen 38 der Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 linksgängig zu der Längserstreckungsrichtung 22 des
Strangprofils 22 in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert.
Die Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 und die Fasern 36 der zweiten
Mehrzahl von Schichten 34 sind Glasfasern. Der zweite Schichtaufbau 32 umfasst mehr Fasern 36 als der erste Schichtaufbau 24. So ist die Anzahl der Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 um einen Faktor 1 ,5 bis 9, bevorzugt 1 ,5 bis 4, besonders bevorzugt 2 bis 3 größer als die Anzahl der Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26. Die erste Mehrzahl von Schichten 26 und die zweite Mehrzahl von Schichten 34 können unterschiedliche Faservolumenanteile aufweisen. So weist die erste Mehrzahl von Schichten 34 einen Faservolumenanteil von 40% bis 70% bezogen auf das Volumen der ersten Schichtaufbaus 24 auf und die zweite Mehrzahl von Schichten 34 weist einen
Faservolumenanteil von 35% bis 60% bezogen auf das Volumen der zweiten Schichtaufbaus 32 auf. Die Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 werden in ein erstes Matrix- Material eingebettet. Die Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 werden in ein zweites Matrix-Material eingebettet. Das zweite Matrix-Material kann sich von dem ersten Matrix-Material unterscheiden. So kann das erste Matrix-Material eine hohe Steifigkeit aufweisen und das zweite Matrix-Material kann eine hohe Zähigkeit aufweisen. Die Fasern 28 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 und die Fasern 36 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 werden jeweils mit einem Tränkmittel getränkt. Der erste Schichtaufbau 24 kann von dem zweiten Schichtaufbau 32 durch eine für die Tränkmittel undurchlässige Schicht voneinander getrennt sein. Die Tränkmittel können sich voneinander unterscheiden. Die Fasern 36 des zweiten Schichtaufbaus 32 werden als Rovings mit einem Filament- Durchmesser ausgebildet, der kleiner als ein Filament-Durchmesser der Fasern 28 des ersten Schichtaufbaus 24 sein kann.
Bei dem Strangprofil 10 unterscheiden sich die Längserstreckungsrichtungen 30 der Fasern 28 benachbarter Schichten 26 der ersten Mehrzahl von Schichten 26 um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander. Außerdem unterscheiden sich die Längserstreckungsrichtungen 38 der Fasern 36 benachbarter Schichten 34 der zweiten Mehrzahl von Schichten 34 um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander, wie oben beschrieben ist. Anschließend kann der Kern 40 entfernt werden oder in dem ersten Schichtaufbau 24 verbleiben. Ein Entfernen des Kerns 40 ist beispielsweise möglich, wenn der Kern 40 aus PTFE hergestellt ist, da dieses Material mit dem Matrixsystem des Faserverbundwerkstoffes nicht verklebt. Wie in Figur 7D gezeigt, wird das Strangprofil 10 anschließend gebogen. Das Strangprofil 10 wird beispielsweise in Form einer rechtsdrehenden Schraubenfeder 12 gebogen, beispielsweise mittels eines Freiformwerkzeugs. Die Schraubenfeder 12 wird mit einer Steigung H, einem Federdurchmesser D und einem Steigungswinkel a ausgebildet, wobei ein Verhältnis tan a = Η/(π* D) nicht größer als 0,22 und bevorzugt nicht größer als 0,21 ist. Anschließend wird die Schraubenfeder 12 ausgehärtet, was unter Wärmezufuhr geschehen kann.
Beispiele Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert werden.
Für die nachstehenden Beispiele wird die folgende Nomenklatur verwendet, die bei der Ermittlung der Versuchsergebnisse verwendet wurde. B Exponent Dauerschwingfestigkeit
C Verhältnis DI de
de Strangprofil Außendurchmesser
di Strangprofil Innendurchmesser
D Federdurchmesser
F Kraft
G Schubmodul gemittelt
H Steigung der Federwindung
k Verhältnis di/de
K Federkonstante
n Anzahl Schwingungen bis zum Bruch
N Anzahl der Federwindungen
a Steigungswinkel der Federwindung
δ Auslenkung der Feder aus der unbelasteten Lage
öB.max Biegespannung am horizontalen Außenrand des Strangprofilquerschnitts
TS Schubspannung durch Scherung
ττ Schubspannung durch Torsion am Strangprofilumfang bei radial steigender
Spannung
TM AX Erhöhte Schubspannung am inneren Umfang einer dicken Feder infolge von Torsion und Scherung, berechnet nach Waals
p Dichte Zur Geometrie der Schraubenfeder gilt folgendes Verhältnis zwischen Steigung H,
Federdurchmesser D und Steigungswinkel a:
H
tan(a) =—
Wie der Standard-Literatur zur Auslegung von Schraubenfedern zu entnehmen ist, wirken auf den Querschnitt einer hohlen Schraubenfeder bei axialer Krafteinleitung Spannungen durch Torsion, Biegung und Scherung.
Scherspannung:
Figure imgf000023_0001
Biegespannung um die Feder-Achse:
Figure imgf000023_0002
°B'max = nd l - k*)
Schubspannung durch Torsion am Außenrand bei radialem Spannungsverlauf:
8 FD
TT = 7T df (l - fc4)
Bei Federn aus dicken Stäben bzw. Strangprofilen ergibt sich eine erhöhte Schubspannung am inneren Umfang der Federwindung infolge von Torsion und Scherung, die nach Waals approximiert wird mit:
8 F D 4 C - 1 0,615\
= n de 3 (l - k*) U C - 4 + ~ΊΓ)
Versuche zur Dauerschwingfestigkeit werden oft als Wöhler-Linien gemäß folgender Gleichung wiedergegeben:
106) = τ{η) (-^)ß
Die Auslenkung der Feder berechnet sich als
8 F D3N
~ G d*(l - /c4)
Die Federkonstante ist die lokale Steigung der Kraft in Abhängigkeit von der Auslenkung:
AF
Umgekehrt lässt sich aus der Steigung der notwendige Schubmodul ermitteln:
8 D3N
G = K d (l - Die Masse einer Schraubenfeder ergibt sich aus den Anforderungen der zulässigen Kraft und gewünschten Auslenkung bei dieser Kraft als Funktion der drei Materialkennwerte
Schubmodul, Dichte und Schubfestigkeit:
1 p G
m = 2 —— -FS
1 + k2 ττ 2
Um bei einer Feder die Masse m zu minimieren, gilt es, Laminate, d.h. Schichtaufbauten, mit einem geringen Schubmodul G und einer hohen Schubfestigkeit ττ zu entwickeln.
Untersucht wurden rechtsdrehende Schraubenfedern unter Druck mit den Abmessungen D = 99,5mm, de=19,5 mm, d,=10,0 mm. Die Steigung war an den beiden Enden in der Regel flacher, wie bei Schraubenfedern für den kraftfahrzeugtechnischen Bereich üblich. Tabelle 1 zeigt die Steigung der Windungen bei der Formgebung. Die Steigung der Feder-Auflagen ist mit aufgeführt. Die Steigung H ist in Tabelle 1 in mm angegeben. In der ersten Zeile geben die Zahlenwerte Windungsabschnitte an, wobei die Zahl 1 eine vollständige Windung bzw. 360° angibt.
Tabelle 1
Figure imgf000024_0001
Laminat: Der Laminataufbau der einzelnen Proben war feinschichtig (F) oder grobschichtig (G) mit unterschiedlichem Verhältnis der in ihrer Längsrichtung druckbelasteten Fasern zu den in ihrer Längsrichtung zugbelasteten Fasern. Feinschichtig bedeutet dabei eine abwechselnde Anordnung der Schichten unterschiedlicher Drehrichtung und grobschichtig bedeutet, dass erst eine Mehrzahl von Schichten mit Fasern gleicher Drehrichtung und dann eine Mehrzahl von Schichten mit Fasern entgegengesetzter bzw. abweichender
Drehrichtung aufgebracht wird. So sind in Tabelle 2 in der ersten Spalte Probenvarianten angegeben, die unterschiedliche Laminat- bzw. Schichtaufbauten aufweisen, wobei die Laminat- bzw. Schichtaufbauten in der zweiten Spalte angegeben sind. Dabei werden in der ersten Spalte in den Klammern zuerst die Anzahl der druckbelasteten Schichten und dann die Anzahl der zugbelasteten Schichten angegeben. So bedeutet beispielsweise F(3/7) einen feinschichtigen Aufbau mit drei druckbelasteten und sieben zugbelasteten Schichten. Der genaue Aufbau de Schichten ist in der zweiten Spalte angegeben, wobei (-) eine
Orientierung bzw. einen Winkel zur Längserstreckungsrichtung des Strangprofils für druckbelastetet Schichten und (+) eine Orientierung bzw. einen Winkel zur
Längserstreckungsrichtung des Strangprofils für zugbelastetet Schichten angibt. Tabelle 2
Figure imgf000025_0001
Für die untersuchten Strangprofile wurden die folgenden Materialien verwendet. Die
Glasfaser war ein Roving mit einem Gewicht von 2400 g/km (2400 tex). System A bestand aus dem Harz Bisphenol-A-Diglycidylether mit 22 Gew.-% Butandiol-Diglycidylether und dem Härter Diethylmethylbenzoldiamin im Mischungsverhältnis 100 : 26. System B bestand aus dem Harz Bisphenol-A-Diglycidylether mit 22 Gew.% Butandiol-Diglycidylether und dem Härter Dicyanamid (56 Gew.%) + Methylcyclohexyl-Diamin (26 Gew.-%) + 3,3'-(4-Methyl-1 ,3- Phenylen) bis (1 ,1 -Dimethylharnstoff), erhältlich unter dem Markennamen Uron Dyhard UR500, (18 Gew.%) im Mischungsverhältnis 100 : 1 1. Der Fasermassenanteil wurde rechnerisch über die verwendete Menge an Glasmaterial, Kernmaterial, Hilfsmaterialien und das Gesamtgewicht der Profile für System A bei 67% +/- 2% und für System B bei 65% +/- 2% ermittelt.
Die Federstäbe wurden mit Filamentwinding mit 8 Fäden pro Schicht mit einem Mehrfach- Ringfadenauge hergestellt. Gewickelt wurde auf einen 7 mm Stahlkern, umhüllt von einem Polyethylen-Schlauch mit 10 mm Außendurchmesser und 1 mm Wandstärke, der ohne wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit und Steifigkeit der Federn ist. Der Stahlkern wurde nach dem Filamentwinding gezogen. Die Federstäbe wurden auf ein Rohr mit 80 mm
Außendurchmesser gewickelt. Die Steigung im Formprozess wurde über Abstandshalter eingestellt. Die Härtung von System A erfolgte für 2 h bei 120°C und für 5 h bei 150°C. Die Härtung von System B erfolgte für 3 h bei 90°C und für 1 h bei 140°C. Die Laminate waren nicht nur unterschiedlich belastbar, sondern auch unterschiedlich torsionssteif. Daher wurden die Versuche zur Schwingfestigkeit von einer minimalen
Haltekraft von 1000 N bis zu einer möglichst hohen Kraft bis kurz vor Blocksatz der Feder gefahren, was je nach Laminat 3 - 5 kN waren. Die Frequenz betrug 3,5 1/s. So wurde bei einer Kraft F eine Zyklenzahl n bis zum Bruch ermittelt.
Die Kennzahlen zum Vergleich der Laminate wurden wie folgt berechnet: Aus der
Federkennlinie F(5) wurde bei einer mittleren Auslenkung von 55 mm die Steigung K ermittelt. Das Schubmodul G wurde aus dieser Steigung ermittelt unter der Annahme, dass bei dieser Einfederung 4 freie Windungen tordieren konnten. Die höchste Torsionsspannung und maximale Schubspannung bei der Zyklenzahl n wurde bestimmt als:
8 F D
ττ(η) =
d| (l - /c4)
8 F D 4 C - 1 0,615\
n d (l - W V4 C - + C )
Mit einem experimentell ermittelten Exponenten B=0,05 wurde zum Vergleich der Laminate die zulässige Torsionsspannung und maximale Schubspannung bei 1 Mio. Zyklen ermittelt: τΓ(106) = τΓ( ) (Ί^)Β
6 ) ( 71 6 jB
Tmax(10 — Tmax( l)
Figur 8 gibt die so ermittelten Ergebnisse für den Schubmodul, die ertragbare
Schubspannung bei 1 Mio. Zyklen und das Verhältnis von Schubmodul zu ertragbarer Schubspannung im Quadrat an.
Die Ergebnisse in Figur 8 zeigen die Überlegenheit dieser Laminate bei Torsionsbelastung. Insbesondere das Verhältnis G/ τΤ 2 , das proportional zur notwendigen Federmasse ist, sinkt vom Wert des feinschichtigen Standardlaminates F(5/5) auf 55%, was eine
Gewichtsersparnis gegenüber diesem Standardlaminat von 45% ermöglicht.
Mit zunehmender Steigung H bzw. zunehmendem Steigungswinkel a steigt jedoch auch die Biegespannung im Strangprofil. Das Strangprofil kann nicht mehr ausschließlich auf Torsion optimiert werden. Figur 9 zeigt die ertragbare Schubspannung Tmax in Abhängigkeit von tan a. Figur 9 zeigt, dass bei einem Feder-Design mit hoher Steigung H durch die höheren
Biegespannungen das torsions-optimierte Laminat schlechter abschneidet.
Tabelle 3 zeigt den Vergleich von Schubfestigkeit und zum Teil Schubmodul für
verschiedene Laminate für zwei verschiedene Epoxysysteme.
Tabelle 3
Figure imgf000027_0001
*Versuch ohne Federbruch beendet Figur 10 zeigt die ertragbare Schubspannung Tmax für zwei Laminat-Typen in Federn mit ähnlichem Profil und unterschiedlicher Chemie für die verwendeten Materialien. Genauer ist in Figur 10 die ertragbare Schubspannung Tmax für ein Strangprofil in Form von
Standardlaminat F(5/5) hergestellt mit der Chemie gemäß dem oben beschriebenen Systemen A und B sowie für ein Strangprofil mit einem erfindungsgemäßen Aufbau G(3/7) hergestellt mit der Chemie gemäß dem oben beschriebenen Systemen A und B dargestellt. Aus Figur 10 ist zu erkennen, dass die ertragbare Schubspannung Tmax für das Strangprofil mit einem erfindungsgemäßen Aufbau G(3/7) höher als für das Strangprofil in Form von Standardlaminat F(5/5), wobei die verwendete Chemie einen vernachlässigbaren Einfluss auf die ertragbare Schubspannung imax hat. Anhand Figur 10 ist der vorteilhafte Effekt auf die ertragbare Schubspannung Tmax aufgrund der vorliegenden Erfindung deutlich zu erkennen.

Claims

Patentansprüche
1. Strangprofil (10), wobei sich das Strangprofil (10) in einer Längserstreckungsrichtung (22) erstreckt, wobei das Strangprofil (10) einen um die Längserstreckungsrichtung
(22) angeordneten ersten Schichtaufbau (24) und einen den ersten Schichtaufbau (24) umgebenden zweiten Schichtaufbau (32) aufweist,
wobei der erste Schichtaufbau (24) eine erste Mehrzahl von Schichten (26) umfasst, wobei jede Schicht (26) des ersten Schichtaufbaus (24) mehrere Fasern (28) aufweist, wobei der zweite Schichtaufbau (32) eine zweite Mehrzahl von Schichten (34) umfasst, wobei jede Schicht (34) des zweiten Schichtaufbaus (32) mehrere Fasern (36) aufweist,
wobei sich die Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) und die Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) jeweils in Langserstreckungsnchtungen (30, 38) erstrecken, wobei die Langserstreckungsnchtungen (30) der Fasern (28) der ersten
Mehrzahl von Schichten (26) und der Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) jeweils zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 30° bis 60° und bevorzugt in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert sind,
wobei sich die Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) derart relativ zu der
Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) erstrecken, dass sie bei Soll- Torsionsbelastung des Strangprofils (10) in ihren Längserstreckungsrichtungen (30) auf Längsdruck beansprucht sind,
wobei sich die Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) erstrecken, dass sie bei
Soll-Torsionsbelastung des Strangprofils (10) in ihren Längserstreckungsrichtungen (38) auf Längszug beansprucht sind,
wobei sich die Längserstreckungsrichtungen (30) der Fasern (28) benachbarter Schichten (26) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander unterscheiden,
wobei sich die Längserstreckungsrichtungen (38) der Fasern (36) benachbarter Schichten (34) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander unterscheiden.
2. Strangprofil (10) nach Anspruch 1 , wobei der zweite Schichtaufbau (32) mehr Fasern (36) als der erste Schichtaufbau (24) umfasst, wobei insbesondere die Anzahl der Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) um einen Faktor 1 ,5 bis 9, bevorzugt 1 ,5 bis 4, besonders bevorzugt 2 bis 3 größer als die Anzahl der Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) ist.
3. Strangprofil (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) mit einem ersten Tränkmittel getränkt sind und die Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) mit einem zweiten Tränkmittel getränkt sind, wobei der erste Schichtaufbau (24) von dem zweiten Schichtaufbau (32) bevorzugt durch eine für das erste Tränkmittel und das zweite Tränkmittel undurchlässige Schicht voneinander getrennt ist, wobei sich bevorzugt das erste Tränkmittel von dem zweiten Tränkmittel unterscheidet.
4. Strangprofil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Strangprofil (10) einen Kern (40) aufweist, auf dem der erste Schichtaufbau (24) angeordnet ist, wobei der Kern (40) eine Anordnung verdrillter Fasern, ein Vollkern, ein ummantelter Vollkern, ein Hohlkern oder ein ummantelter Hohlkern ist.
5. Strangprofil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Strangprofil (10) in Form einer Schraubenfeder (12) gebogen ist, wobei insbesondere die Schraubenfeder (12) eine Steigung H, einen Federdurchmesser D und einen Steigungswinkel a aufweist, wobei ein Verhältnis tan a = Η/(π* D) nicht größer als 0,22 und bevorzugt nicht größer als 0,21 ist.
6. Strangprofil (10) nach Anspruch 5, wobei das Strangprofil (10) als rechtsdrehende Druckfeder oder linksdrehende Zugfeder ausgebildet ist, wobei die
Längserstreckungsrichtungen (30) der Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert sind, wobei die Längserstreckungsrichtungen (38) der Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) linksgängig zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert sind oder
wobei das Strangprofil (10) als linksdrehende Druckfeder oder rechtsdrehende
Zugfeder ausgebildet ist, wobei die Längserstreckungsrichtungen (30) der Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) linksgängig zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert sind, wobei die Längserstreckungsrichtungen (38) der Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert sind.
7. Strangprofil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) und die Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) Glasfasern sind.
8. Verfahren zum Herstellen eines Strangprofils (10), bevorzugt eines Strangprofils (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend: (i) Bereitstellen eines Kerns (40), der sich zum Definieren einer
Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einer
Längserstreckungsrichtung erstreckt,
(ii) Anordnen eines ersten Schichtaufbaus (24) um den Kern (40), wobei der erste Schichtaufbau (24) aus einer ersten Mehrzahl von Schichten (26) ausgebildet wird, wobei jede Schicht (26) des ersten Schichtaufbaus (24) mehrere Fasern (28) aufweist,
(iii) Anordnen eines zweiten Schichtaufbaus (32) um den ersten Schichtaufbau (24), wobei der zweite Schichtaufbau (32) aus einer zweiten Mehrzahl von Schichten (34) ausgebildet wird, wobei jede Schicht (34) des zweiten
Schichtaufbaus (32) mehrere Fasern (36) aufweist, wobei sich die Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) und die Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) jeweils in Längserstreckungsrichtungen (30, 38) erstrecken, wobei die Längserstreckungsrichtungen (30, 38) der Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) und der Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) jeweils zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 30° bis 60° und bevorzugt in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert sind, wobei sich die Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) erstrecken, dass sie bei Soll-Torsionsbelastung des Strangprofils (10) in ihren Längserstreckungsrichtungen (30) auf Längsdruck beansprucht sind, wobei sich die Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) derart relativ zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) erstrecken, dass sie bei Soll-Torsionsbelastung des Strangprofils (10) in ihren
Längserstreckungsrichtungen (38) auf Längszug beansprucht sind, wobei sich die Längserstreckungsrichtungen (30) der Fasern (28) benachbarter
Schichten (26) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander unterscheiden, wobei sich die
Längserstreckungsrichtungen (38) der Fasern (36) benachbarter Schichten (34) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) um einen Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 0° bis 10°, bevorzugt 2° bis 10° und noch bevorzugter 2° bis 6° voneinander unterscheiden,
(iv) Entfernen des Kerns (40) oder Belassen des Kerns (40) in dem ersten
Schichtaufbau (24).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der zweite Schichtaufbau (32) mit mehr Fasern (36) als der erste Schichtaufbau (24) ausgebildet wird, wobei insbesondere die Anzahl der Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) um einen Faktor 1 ,5 bis 9, bevorzugt 1 ,5 bis 4, besonders bevorzugt 2 bis 3 größer als die Anzahl der Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) ist. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) mit einem ersten Tränkmittel getränkt werden und die Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) mit einem zweiten Tränkmittel getränkt werden, wobei der erste Schichtaufbau (24) von dem zweiten Schichtaufbau (32) bevorzugt durch eine für das erste Tränkmittel und das zweite Tränkmittel undurchlässige Schicht voneinander getrennt wird, wobei sich bevorzugt das erste Tränkmittel von dem zweiten Tränkmittel unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, weiterhin umfassend Biegen des Strangprofils (10) in Form einer Schraubenfeder (12), wobei insbesondere die
Schraubenfeder (12) eine Steigung H, einen Federdurchmesser D und einen
Steigungswinkel a, aufweist, wobei ein Verhältnis tan a = Η/(π* D) nicht größer als 0,22 und bevorzugt nicht größer als 0,21 ist.
Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei das Strangprofil (10) als rechtsdrehende
Druckfeder oder linksdrehende Zugfeder ausgebildet wird, wobei die
Längserstreckungsrichtungen (30) der Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert werden, wobei die Längserstreckungsrichtungen (38) der Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten (34) linksgängig zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert werden oder
wobei das Strangprofil (10) als linksdrehende Druckfeder oder rechtsdrehende
Zugfeder ausgebildet wird, wobei die Längserstreckungsrichtungen (30) der Fasern (28) der ersten Mehrzahl von Schichten (26) linksgängig zu der
Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert werden, wobei die
Längserstreckungsrichtungen (38) der Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von
Schichten (34) rechtsgängig zu der Längserstreckungsrichtung (22) des Strangprofils (10) in einem Winkel mit einem Betrag in einem Bereich von 40° bis 50° orientiert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Fasern (28) der ersten
Mehrzahl von Schichten (26) und die Fasern (36) der zweiten Mehrzahl von Schichten
(34) Glasfasern sind.
14. Strangprofil (10), erhalten oder erhältlich gemäß einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13.
15. Verwendung eines Strangprofils (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder gemäß Anspruch 14 als Feder in einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs.
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