WO2019219694A1 - Method for producing a composite spring, and composite spring - Google Patents

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WO2019219694A1
WO2019219694A1 PCT/EP2019/062361 EP2019062361W WO2019219694A1 WO 2019219694 A1 WO2019219694 A1 WO 2019219694A1 EP 2019062361 W EP2019062361 W EP 2019062361W WO 2019219694 A1 WO2019219694 A1 WO 2019219694A1
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composite
spring
composite spring
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matrix material
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PCT/EP2019/062361
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Gregor Daun
Jan Wucherpfennig
Christian KORFF
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Basf Polyurethanes Gmbh
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    • F16F2224/00Materials; Material properties
    • F16F2224/02Materials; Material properties solids
    • F16F2224/0241Fibre-reinforced plastics [FRP]

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a composite spring, in particular a composite helical compression spring.
  • the invention further relates to such a composite spring, in particular a composite helical compression spring, which is formed from a fiber composite material, which has a plastic matrix material and embedded therein reinforcing fibers.
  • Composite springs of the type used in connection with the invention are generally available. Their properties are described, for example, in EP 0637700 B1, in Jang, D. and Jang, S., “Development of a Lightweight CFRP Coil Spring,” SAE Technical Paper 2014-01-1057, 2014, doi: 10.4271 / 2014-01-1057 ; in Sardou, M. “Darmotte, E.” and Zunino, C., "Light Weight, Low Cost, Composite Coil Springs are a Reality", SAE Technical Paper
  • Composite springs of the aforementioned type are used, among other things, for lightweight construction applications. Since composite springs are generally not susceptible to corrosion problems, have high fatigue strength, are nonmagnetic, and cause low noise emissions, composite springs are also increasingly being considered for the automotive industry. One of the challenges that composite springs have to face is their material behavior as the composite spring increases in service life. So far showed composite springs under
  • thermoplastics it is known that under mechanical stress at elevated temperatures plastic deformation of the material occur, which is the basis for various forming processes.
  • thermosetting plastics such as epoxy resins
  • targeted influencing of the material structure under elevated temperatures is unusual. If anything, from the literature, a transformation of such thermoplastics above the
  • the invention was in the light of the object of the invention to provide a method for producing composite springs, in particular of composite helical compression springs, which leads to a composite spring with improved fatigue behavior, in particular to a composite spring with reduced settling behavior during operation.
  • the invention solves its underlying object in a method of the type described by proposing the following steps: producing or providing a composite spring with an original length Lo, wherein the composite spring is formed of a fiber composite material, which is a plastic Matrix material and reinforcing fibers embedded therein, and thermally setting the composite spring by compression at a predetermined temperature for a predetermined period of time to a designated length L, wherein the designated length L is less than the original length Lo, after the step of manufacturing or providing.
  • composite is understood to mean a composite material.
  • the invention is based on the surprising finding that, contrary to the opinion solidified in the prior art, it is possible to thermally set composite springs above room temperature at predetermined temperature and time conditions. As can be seen in particular from the descriptions of the preferred embodiments, it was also possible to identify process conditions which, despite significantly improved setting behavior, have no significant disadvantageous effect on the life of the composite spring. In that regard, reference is made to the following statements.
  • the predetermined temperature for the thermal presetting is below the glass transition temperature of the plastic matrix material. It has been recognized that inadmissibly strong plastic deformation of the material structure and fractures of the spring can be largely avoided during pre-setting, as long as the thermal Vorschitch done at temperatures below the glass transition temperature of the plastic matrix material. If, in the context of the invention, the glass transition temperature is used, it is with regard to
  • the presetting process for a technical application is very or too slow to be considered for industrial production.
  • the necessary deformation for reducing later settling is comparatively low, since presumably primarily local stress peaks in the material are broken down.
  • the presetting process is very fast, but the deformation is extensive and quickly reaches an unacceptably high level.
  • the predetermined temperature is in a range between room temperature and below the glass transition temperature of the plastic matrix material.
  • the predetermined temperature is preferably in a range of above 30 ° C. More preferably, the predetermined temperature for the example springs in a range of 40 ° C to 1 10 ° C, more preferably from 40 ° C to 90 ° C or 40 ° C to 80 ° C.
  • the predetermined temperature is 2K or more below the glass transition temperature of the respective intended plastic matrix material, preferably 5K or more below the glass transition temperature of the respectively provided plastic matrix material. More preferably, the predetermined temperature is in a range between 5K below the glass transition temperature and 90K below the glass transition temperature.
  • the predetermined temperature is in a range of 30K to 90K below the glass transition temperature of the plastic matrix material, and more preferably 40 ° C or more or even 60K or more below the glass transition temperature of the plastic matrix material. They are preferably
  • Plastics selected for the plastic matrix material which have a glass transition temperature of 120 ° C or higher.
  • the predetermined period for the presetting operation is preferably in a range of up to 24 hours, preferably in a range of 1 second to 8 hours, more preferably in a range of 1 second to 10 minutes, particularly preferably in a range of 8 hours to 24 hours, especially at temperatures in a range of 80 ° C to 90 ° C.
  • this time window finds the knowledge of the invention when presetting the composite spring, the most significant reduction of setting instead.
  • the finding has emerged that the presetting time should be shorter the closer the presetting temperature approaches the glass transition temperature. Therefore, a particularly gentle pre-setting will preferably be carried out at temperatures which are in the lower range of the value ranges indicated above, and the presetting time will be oriented towards the upper end of the abovementioned ranges.
  • the presetting temperature is in a range between 105 ° C and 15 ° C, and the predetermined time for presetting is in a range between 3 minutes and 7 minutes.
  • the presetting temperature is 1 15 ° C to 120 ° C, and the Vorsetzdauer in a range between 30 seconds and 90 seconds. In these areas occurs in most composites used after Vora only low setting behavior, and there is equally no premature breakage of the spring to be feared.
  • the composite spring preferably has a block dimension Lmin when fully compressed, and is compressed during presetting to a presetting length Lv which is greater
  • the step of presetting comprises a static compression by applying a predetermined compression force, hereinafter also referred to Vorsetzkraft.
  • the compression force is preferably kept constant during Vordras.
  • a change in length of the presetting length Lv during pre-setting is observed with constant compression force control.
  • the presetting length is preferably kept constant during presetting.
  • the Vorsetzin is controlled during the presetting step, a reduction in the compression force necessary to hold the presetting length is observed due to the onset of relaxation of the composite spring, depending on the selected pre-setting period.
  • the spring can be heated to the presetting temperature before and / or during upsetting.
  • the spring can be relaxed under temperature after completion of Vor matterss or cooled in the tensioned state.
  • a desired combination of spring force and spring length can be set.
  • slight statistical variations in spring length can be compensated for in this step. This applies in particular to a correction / optimization of the force penetration point and for compliance with a length tolerance at delivery or the spring rate tolerance.
  • a plastic matrix material any material which is suitable for fixing the fibers in their position after being deposited.
  • the plastic matrix material is a thermosetting polymer, for example a polyester resin, vinyl ester resin, polyurethane resin or epoxy resin, polyurethane resin combinations (PU-PIR, PU acrylate).
  • a thermosetting polymer for example a polyester resin, vinyl ester resin, polyurethane resin or epoxy resin, polyurethane resin combinations (PU-PIR, PU acrylate).
  • the plastic matrix material is a thermoplastic polymer, for example a polyamide, polypropylene, or polyethylene.
  • the predetermined temperature to be provided for the presetting process is preferably set as a function of the glass transition temperature of the respectively selected plastic matrix material.
  • the glass transition temperature of the respective material can either be taken from generally known data sheets intended for the materials, or alternatively determined experimentally.
  • the composite spring used in the method according to the invention preferably has a winding core around which at least one fiber roving is wound.
  • the winding core is preferably an arrangement of twisted fibers, a solid core, a sheathed solid core, a hollow core or a sheathed 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 cross section of the core is preferably circular, but may be formed in principle, oval, elliptical, polygonal or mixed form of several of the above basic shapes.
  • a hollow core would bring with it a weight reduction compared to a solid core due to an internal recess. If twisted fibers are used as the winding core, this is to be understood as meaning that the fibers are preferably twisted together.
  • the winding core is formed from a non-metallic material.
  • the at least one fiber roving of the composite is preferably formed of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, basalt fibers, sisal fibers, hemp fibers, cotton fibers or bamboo fibers, or a subcombination of two or more of these types of fibers.
  • the composite spring and with it the finished composite spring, a multi-layered structure around the winding core around, wherein different rovings are arranged in several layers one above the other, or be.
  • the rovings in the different layers preferably differ in their orientation relative to the rovings of other layers, each viewed relative to
  • the embedding of the fiber material into the plastic matrix material takes place by means of impregnating the roving with an impregnating agent.
  • An impregnating agent is to be understood in the context of the invention basically any plastic matrix material which leads by curing, such as by polymerization, for bonding the fibers and layers to one another and thus to a solidification of the fiber composite material.
  • impregnating agent in particular a monomer or polymer-based liquid is used.
  • the impregnating agent can be a liquid plastic 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, for example based on polypropylene, polyethylene or polyamide.
  • 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, for example based on polypropylene, polyethylene or polyamide.
  • the invention has been described above and according to a first aspect with reference to the inventive method.
  • the invention further relates to the initially described composite spring.
  • the invention solves the task described in the composite spring in that the composite spring is pre-set thermally under compression.
  • the composite spring according to the invention is preferably produced by the method according to the invention according to the first aspect and makes use of the same advantages and preferred embodiments as the method according to the invention.
  • the plastic matrix material of the composite spring is a thermosetting polymer, for example a polyester resin, vinyl ester resin, polyurethane resin or epoxy resin.
  • the plastic matrix material is a thermoplastic polymer, for example a polyamide, polypropylene, or polyethylene.
  • the composite spring preferably has a winding core around which at least one fiber roving is wound.
  • the winding core of the composite spring is preferably formed from a non-metallic material, for example polyethylene.
  • the at least one fiber roving is preferably formed of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers or a subcombination of two or more of these types of fibers.
  • the composite spring has a multilayer structure around the winding core, with a plurality of (same or different) rovings in the plurality of layers being stacked.
  • Figure 1 shows a schematic structure of a device for thermal
  • FIG. 2 and FIG. 3 show alternative operating states of the device according to FIG. 1
  • Figure 4a is a detail view of a composite spring according to the invention.
  • Figure 4b is a sectional view of a detail of the composite spring according to Figure 4a.
  • Figure 5 is a graphical representation of test results.
  • FIG. 1 shows first a device 100 for the thermal presetting of composite springs.
  • the device 100 has a receptacle 101, in which a composite spring 1 is taken with an original length Lo.
  • the device 100 has a punch 103, which is movable by means of an actuator 105 in the direction of a longitudinal axis x for applying a Vorsetzkraft.
  • the composite spring 1, which is formed in the present embodiment as a composite helical compression spring is coaxial with
  • the composite spring 1 is compressed by the punch 103 to a Vorsetzin Lv, wherein on the composite spring 1 a Vorsetzkraft Fv acts.
  • a predetermined temperature is set in the receptacle 101 by means of a heater 107, which assumes the composite spring 1.
  • the state shown in Figure 2 is maintained in preferred embodiments for a period of between 1 minute and 24 hours.
  • the length Lv to which the composite spring 1 is compressed is preferably greater than a block length D TM (not shown) at which the turns of the composite spring 1 would abut directly adjacent turns.
  • a Vorsetzweg can be applied, being driven to a clamped length.
  • FIG. 3 shows the device 100 of FIGS. 1 and 2 after the pre-setting process has been completed.
  • the presetting force Fv is no longer applied to the stamp 103, and the stamp 103 has preferably been moved back to its original position by means of the actuator 105 as in FIG.
  • the composite spring 1 in the interior of the receptacle 101 now assumes the intended for the final composite spring Lände L, which is less than or equal to the Vorsetzin Lv smaller than the original length Lo.
  • FIGS. 4a and 4b show, by way of example, a preferred structural design of the composite spring 1.
  • the composite spring 1 has at least one first end turn 2, to which a plurality of turns 4 adjoin.
  • the turns 4 may have identical turns or progressively and / or degressively changed slopes.
  • the composite spring 1 initially shown from the outside in FIG. 4a preferably has the structural structure shown in FIG. 4b.
  • the composite spring 1 on a winding core 3, which may be formed, for example, as a hollow core or solid core.
  • a first roving layer 5 with a first fiber orientation and layer thickness is arranged around the winding core 3, a first roving layer 5 with a first fiber orientation and layer thickness is arranged.
  • At least one further roving layer is preferably arranged around the first roving layer 5, in the present exemplary embodiment a second roving layer 7 and a third roving layer 9.
  • the roving layers 5, 7, 9 can be fiber thickness or orientation relative to the direction of extension of the winding core 3, fiber thickness or fiber thickness Fiber bundle thickness, layer thickness and other criteria differ, or even agree.
  • the fiber rovings 5, 7, 9 are impregnated with the same impregnating agent and embedded in the same plastic matrix material.
  • the rovings 5, 7, 9 soaked which can be done for example during, before or after the wrapping of the winding core 3.
  • the slope was usually flatter at the end turns than at the middle turns.
  • the pitch of the spring pads is listed in Table 1 with.
  • the plastic matrix material As the plastic matrix material, an epoxy system composed of the resin bisphenol A disglycidyl ether (100 parts), the curing agent dicyandiamide (6.5 parts) and the accelerator Uron (3 parts) was used. The glass transition temperature of the system was measured by a dynamic mechanical analysis for the pure plastic at 137 ° C (polymer Tg, in the rheometer analog DMA). The material of the fiber rovings was glass, in particular 2400 tex rovings were used. The fiber mass fraction was determined at 65% + 1-2%.
  • the springs had a winding core formed as a hollow core, namely a PE inliner of 10 mm outer diameter and 1 mm wall thickness, and therefore had no significant influence on the strength and rigidity of the springs.
  • the composite strands from which the composite springs were made were fabricated as continuous pull-twist tubes in a 50 m loop with 16 strands per ply.
  • the springs were wound on an inner mold, enclosed with a two-part outer mold and cured after pulling the mechanically collapsing inner mold in the outer mold for 2 h at 120 ° C.
  • the composite springs had a multilayer structure.
  • Several coats of fiber rovings were coarsely layered with a ratio of compressively loaded fibers to tensile fibers of 2/3: [-42 °, -48 °], [+ 42 °, + 48 °, + 42 °].
  • Test Series 1 - Load Level Two composite springs were dynamically loaded without pretreatment at room temperature in a range from 18 ° C to 25 ° C at 5.3kN at a frequency of 3.5 1 / s and only broke after more than one million cycles. Tests for the static load of two further springs with 4 kN at 100 ° C and 1 10 ° C led to the break.
  • Composite spring was preset at 100 ° C. Following this, they were dynamically pulsed over 500,000 cycles of 0.2 - 3.5 kN at room temperature (23 ° C) and a test frequency of 3.5 1 / s compared to a non-thermally superior fourth composite spring. None of the composite springs broke. The deposit amount was determined. The set at 80 ° C spring was then applied for more than 800,000 cycles with 4.6 kN without breaking, which proves that no significant damage was caused by the Voritati.
  • Two identical composite springs Fi and F2 were each loaded in a static test unit at a temperature of 100 ° C with 3.5 kN.
  • the first composite spring Fi was loaded for 1 h
  • the second composite spring F2 was loaded for a period of 24 h.
  • both composite springs Fi, F2 were cooled under load to below 30 ° C. After that, they were statically loaded for 24 h and 96 h, respectively, compared to a non-preloaded third composite spring F3, whereby the first composite spring Fi and the third composite spring F3 were loaded with 3.5 kN and the over 24h supervisor second composite spring F2 was loaded with 2.5 kN.
  • the load was carried out at a temperature of 80 ° C.
  • pre-setting composite springs at elevated temperatures significantly reduces settling under static or dynamic loading.
  • the process of presetting can be significantly accelerated by increasing the temperature and the subsequent setting behavior can be significantly reduced. If the glass transition temperature is exceeded and the setting time is limited, large-scale deformations and potential damage to the composite springs can also be avoided.

Abstract

The invention relates to a method for producing a composite spring (1), more particularly a composite helical compression spring, having a length (L). According to the invention, the method comprises the following steps: - producing or providing a composite spring (1) having an original length (Lo), wherein the composite spring (1) is made of a fibre-reinforced composite material having a plastic matrix material and reinforcement fibres embedded therein and - thermally preloading the composite spring (1) to the length (L) by means of compression at a predefined temperature for a predefined period, the length (L) being less than the original length (Lo). The invention further relates to a composite spring, more particularly a composite helical compression spring, which is made of a fibre-reinforced composite material having a plastic matrix material and reinforcement fibres embedded therein, wherein the composite spring is thermally preloaded under compression.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Composite-Feder, und selbige  Process for making a composite spring, and the like
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Composite-Feder, insbesondere einer Composite-Schraubendruckfeder. Die Erfindung betrifft ferner eine solche Composite-Feder, insbesondere eine Composite-Schraubendruckfeder, welche aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher ein Kunststoff-Matrixmaterial und darin eingebettete Verstärkungsfasern aufweist. The present invention relates to a method for producing a composite spring, in particular a composite helical compression spring. The invention further relates to such a composite spring, in particular a composite helical compression spring, which is formed from a fiber composite material, which has a plastic matrix material and embedded therein reinforcing fibers.
Composite-Federn der im Zusammenhang mit der der Erfindung verwendeten Art sind allgemein erhältlich. Ihre Eigenschaften werden beispielsweise in EP 0637700 B1 , in Jang, D. and Jang, S., "Development of a Lightweight CFRP Coil Spring," SAE Technical Paper 2014-01-1057, 2014, doi:10.4271/2014-01-1057; in Sardou, M„ Darmotte, E„ and Zunino, C.,„Light Weight, Low Cost, Composite Coil Springs are a Reality”, SAE Technical PaperComposite springs of the type used in connection with the invention are generally available. Their properties are described, for example, in EP 0637700 B1, in Jang, D. and Jang, S., "Development of a Lightweight CFRP Coil Spring," SAE Technical Paper 2014-01-1057, 2014, doi: 10.4271 / 2014-01-1057 ; in Sardou, M. "Darmotte, E." and Zunino, C., "Light Weight, Low Cost, Composite Coil Springs are a Reality", SAE Technical Paper
2005-01-1698; sowie in Yahya Kara (2017) A Review: Fiber Reinforced Polymer Composite Helical Springs. J Mater Sei Nanotechnol 5(1 ): 101 . doi: 10.15744/2348- 9812.5.101 beschrieben. 2005-01-1698; and in Yahya Kara (2017) A Review: Fiber Reinforced Polymer Composite Helical Springs. J Mater Be Nanotechnol 5 (1): 101. doi: 10.15744 / 2348-9812.5.101.
Composite-Federn der vorbezeichneten Art werden unter anderem für Leichtbauanwendungen herangezogen. Da Composite-Federn im Allgemeinen unanfällig für Korrosionsprobleme sind, eine hohe Dauerfestigkeit aufweisen, nicht magnetisch sind, und geringe Geräuschemissionen verursachen, kommen Composite-Federn zunehmend auch für die Automobilindustrie in Betracht. Eine Herausforderung, der sich Composite- Federn nach wie vorstellen müssen, ist ihr Werkstoffverhalten bei zunehmender Betriebsdauer der Composite-Feder. So zeigten bislang Composite-Federn unter
Figure imgf000004_0001
Composite springs of the aforementioned type are used, among other things, for lightweight construction applications. Since composite springs are generally not susceptible to corrosion problems, have high fatigue strength, are nonmagnetic, and cause low noise emissions, composite springs are also increasingly being considered for the automotive industry. One of the challenges that composite springs have to face is their material behavior as the composite spring increases in service life. So far showed composite springs under
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Belastung mit zunehmender Betriebsdauer und/oder zunehmender Anzahl der durchlebten Belastungszyklen im Vergleich zu Stahlfedern ein stark ausgeprägtes Kriechen, was bei konstanter Kraft zu einer als Setzen bezeichneten Verkürzung der Federlänge und bei konstanter Einspannlänge zu einer als Relaxation bezeichneten Verringerung der Federkraft führt. Setzen bei konstanter Kraft und Relaxation bei konstanter Länge beschreiben denselben Veränderungsprozess unter anderen Randbedingungen. Beiden ist zudem gemeinsam, dass die Änderungsrate am Anfang hoch ist und mit der Zeit geringer wird und die sich ergebende absolute Veränderung oftmals proportional zum Logarithmus der Betriebsdauer ist. Während der normale, elastische Federweg als s gekennzeichnet wird, wird die Veränderung des Federweges durch Setzen als As benannt. Es ist bei Stahlfedern üblich, das Kriechen über das Verhältnis von kriechender Verformung zu Federweg As /s zu beschreiben.  Load with increasing operating time and / or increasing number of experienced load cycles compared to steel springs a pronounced creep, resulting in constant force to a set as set shortening of the spring length and constant clamping length to a relaxation called reduction in the spring force. Setting at constant force and relaxation at constant length describe the same change process under different boundary conditions. Both have in common that the rate of change is high at the beginning and decreases with time and the resulting absolute change is often proportional to the logarithm of the operating time. While the normal, elastic suspension travel is designated as s, the change of the suspension travel by setting is called as ace. It is common in steel springs to describe creep over the ratio of creep deformation to spring travel As / s.
Bei Anwendungen im Automobil kann dieses Setzverhalten zu einer unerwünschten Verringerung der Fahrzeughöhe bzw. Bodenfreiheit oder Schräglage oder auch Ausrichtung der Scheinwerfer führen. Mehrere frühere Versuche zur Einführung der Composite-Schraubenfeder im Automobil sind auch an diesem Verhalten gescheitert. In automotive applications, this seating behavior can lead to an undesirable reduction in vehicle height or inclination or even alignment of the headlights. Several earlier attempts to introduce the composite coil spring in automobiles have also failed in this behavior.
Damit Composite-Federn auch hinsichtlich ihres Ermüdungsverhaltens über die gesamte Lebenszeit relativ zu den allgemein bekannten Stahlfedern konkurrenzfähiger werden, wurde angestrebt, das Setzverhalten von Composite-Federn zu verbessern. Es ist allgemein bekannt, Stahlfedern im Rahmen des Herstellungsprozesses statisch oder dynamisch vorzusetzen, um ein nachträgliches Setzen nach Auslieferung der Federn im Betrieb möglichst zu begrenzen. Bei Stahlfedern ist der Vorgang des Vorsetzens in der Vergangenheit sowohl in kaltem Zustand als auch bei erhöhter Temperatur durch Plastifizieren jenseits der elastischen Verformung der Stahlfedern durchgeführt worden. Diese Mechanismen sind stets als nicht auf Composites. d.h. Verbundwerkstoffe anwendbar erachtet worden. In order for composite springs to become more competitive with respect to their fatigue behavior over the entire lifetime relative to the well-known steel springs, the aim was to improve the setting behavior of composite springs. It is generally known, static or dynamically pre-set steel springs in the context of the manufacturing process in order to limit a subsequent setting after delivery of the springs during operation as possible. In the case of steel springs, the process of presetting in the past has been carried out both cold and at elevated temperature by plasticizing beyond the elastic deformation of the steel springs. These mechanisms are always considered not to be composites. i.e. Composite materials has been considered applicable.
Für thermoplastische Kunststoffe ist es bekannt, dass bei mechanischer Belastung unter erhöhten Temperaturen plastische Umformungen des Materials auftreten, was die Basis für diverse Umformverfahren ist. Bei duroplastischen Kunststoffen, wie etwa Epoxidharzen, ist ein gezieltes Beeinflussen der Materialstruktur unter erhöhten Temperaturen unüblich. Wenn überhaupt, ist aus der Literatur eine Umformung solcher thermoplastischen Kunststoffe oberhalb der
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For thermoplastics, it is known that under mechanical stress at elevated temperatures plastic deformation of the material occur, which is the basis for various forming processes. In thermosetting plastics, such as epoxy resins, targeted influencing of the material structure under elevated temperatures is unusual. If anything, from the literature, a transformation of such thermoplastics above the
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Glasübergangstemperatur zu entnehmen gewesen. In diesem Bereich arbeitet man aber nahe oder über der Belastungsgrenze des Werkstoffs, was zu einem Bruch führen kann.  Glass transition temperature was taken. In this area, however, you work close to or above the load limit of the material, which can lead to breakage.
Der Erfindung lag im Lichte dessen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Composite-Federn, insbesondere von Composite-Schraubendruckfedern, anzugeben, das zu einer Composite-Feder mit verbessertem Ermüdungsverhalten, insbesondere zu einer Composite-Feder mit reduziertem Setzverhalten im Betrieb führt. The invention was in the light of the object of the invention to provide a method for producing composite springs, in particular of composite helical compression springs, which leads to a composite spring with improved fatigue behavior, in particular to a composite spring with reduced settling behavior during operation.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art, indem sie die folgenden Schritte vorschlägt: Herstellen oder Bereitstellen einer Composite-Feder mit einer Ursprungs-Länge Lo, wobei die Composite-Feder aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher ein Kunststoff-Matrixmaterial und darin eingebettete Verstärkungsfasern aufweist, und thermisches Vorsetzen der Composite-Feder mittels Stauchung bei einer vorbestimmten Temperatur über einen vorbestimmten Zeitraum auf eine designierte Länge L, wobei die designierte Länge L geringer ist als die Ursprungs-Länge Lo, nach dem Schritt des Herstellens beziehungsweise Bereitstellens. The invention solves its underlying object in a method of the type described by proposing the following steps: producing or providing a composite spring with an original length Lo, wherein the composite spring is formed of a fiber composite material, which is a plastic Matrix material and reinforcing fibers embedded therein, and thermally setting the composite spring by compression at a predetermined temperature for a predetermined period of time to a designated length L, wherein the designated length L is less than the original length Lo, after the step of manufacturing or providing.
Erfindungsgemäß wird unter der Bezeichnung „Composite“ ein Verbundwerkstoff verstanden. According to the invention, the term "composite" is understood to mean a composite material.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass es entgegen der im Stand der Technik verfestigten Meinung doch möglich ist, Composite-Federn oberhalb der Raumtemperatur bei vorbestimmten Temperatur- und Zeitbedingungen thermisch vorzusetzen. Wie sich insbesondere aus den Schilderungen der bevorzugten Ausführungsformen ergibt, ließen sich zudem Verfahrensbedingungen identifizieren, die trotz deutlich verbessertem Setzverhalten keinen signifikant nachteiligen Effekt auf die Lebensdauer der Composite-Feder haben. Insoweit wird auf die nachfolgenden Ausführungen verwiesen. The invention is based on the surprising finding that, contrary to the opinion solidified in the prior art, it is possible to thermally set composite springs above room temperature at predetermined temperature and time conditions. As can be seen in particular from the descriptions of the preferred embodiments, it was also possible to identify process conditions which, despite significantly improved setting behavior, have no significant disadvantageous effect on the life of the composite spring. In that regard, reference is made to the following statements.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt die vorbestimmte Temperatur für das thermische Vorsetzen unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff- Matrixmaterials. Es ist erkannt worden, dass unzulässig starke plastische Verformungen der Werkstoffstruktur und Brüche der Feder beim Vorsetzen weitestgehend vermieden werden können, solange das thermische Vorsetzen bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff-Matrixmaterials erfolgt. Sofern im Sinne der Erfindung von der Glasübergangstemperatur gesprochen wird, wird hinsichtlich der
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In a preferred embodiment of the invention, the predetermined temperature for the thermal presetting is below the glass transition temperature of the plastic matrix material. It has been recognized that inadmissibly strong plastic deformation of the material structure and fractures of the spring can be largely avoided during pre-setting, as long as the thermal Vorsetzen done at temperatures below the glass transition temperature of the plastic matrix material. If, in the context of the invention, the glass transition temperature is used, it is with regard to
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quantitativen Bestimmung der Glasübergangstemperatur von der Messung mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) ausgegangen. Diese Messung kann auf dedizierten DMA-Messgeräten ausgeführt werden oder in analoger Weise mittels Verwendung eines Rheometers. Die Optimierung besteht im Wesentlichen in der Auswahl der richtigen Temperatur. Bei Raumtemperatur verläuft der Vorsetzvorgang für eine technische Anwendung sehr oder zu langsam, um für eine industrielle Fertigung in Frage zu kommen. Die notwendige Verformung zum Reduzieren späteren Setzens ist dafür vergleichsweise gering, da vermutlich primär lokale Spannungsspitzen im Material abgebaut werden. Bei Temperaturen nahe der Glasübergangstemperatur verläuft der Vorsetzvorgang sehr schnell, die Verformung erfolgt aber umfassend und erreicht auch schnell einen inakzeptabel hohen Betrag. Generell ist auch zu beobachten: Je geringer der spätere Setzbetrag im Betrieb ausfallen soll, umso größer muss der Vorsetzbetrag sein, und zwar insbesondere in einem überproportional hohen Verhältnis. Vorzugsweise liegt die vorbestimmte Temperatur in einem Bereich zwischen Raumtemperatur und unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff- Matrixmaterials. quantitative determination of the glass transition temperature from the measurement by means of dynamic mechanical analysis (DMA) assumed. This measurement can be performed on dedicated DMA meters or in an analogous manner using a rheometer. The optimization consists essentially in the selection of the right temperature. At room temperature, the presetting process for a technical application is very or too slow to be considered for industrial production. The necessary deformation for reducing later settling is comparatively low, since presumably primarily local stress peaks in the material are broken down. At temperatures close to the glass transition temperature, the presetting process is very fast, but the deformation is extensive and quickly reaches an unacceptably high level. In general, it can also be observed that the lower the subsequent settling amount in a business, the larger the reserve amount must be, especially in a disproportionately high ratio. Preferably, the predetermined temperature is in a range between room temperature and below the glass transition temperature of the plastic matrix material.
Die vorbestimmte Temperatur liegt vorzugsweise in einem Bereich von oberhalb 30 °C. Weiter vorzugsweise liegt die vorbestimmte Temperatur für die Beispielfedern in einem Bereich von 40°C bis 1 10 °C, besonders bevorzugt von 40 °C bis 90 °C oder 40°C bis 80°C. The predetermined temperature is preferably in a range of above 30 ° C. More preferably, the predetermined temperature for the example springs in a range of 40 ° C to 1 10 ° C, more preferably from 40 ° C to 90 ° C or 40 ° C to 80 ° C.
Die optimale Wahl der vorbestimmten Temperatur ist eine Funktion des verwendeten Kunststoff-Matrixmaterials. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die vorbestimmte Temperatur um 2K oder mehr unterhalb der Glasübergangstemperatur des jeweils vorgesehenen Kunststoff-Matrixmaterials, vorzugsweise um 5K oder mehr unterhalb der Glasübergangstemperatur des jeweils vorgesehenen Kunststoff-Matrixmaterials. Weiter bevorzugt liegt die vorbestimmte Temperatur in einem Bereich zwischen 5K unterhalb der Glasübergangstemperatur und 90K unterhalb der Glasübergangstemperatur. The optimum choice of the predetermined temperature is a function of the plastic matrix material used. In a preferred embodiment, the predetermined temperature is 2K or more below the glass transition temperature of the respective intended plastic matrix material, preferably 5K or more below the glass transition temperature of the respectively provided plastic matrix material. More preferably, the predetermined temperature is in a range between 5K below the glass transition temperature and 90K below the glass transition temperature.
Noch weiter bevorzugt liegt die vorbestimmte Temperatur in einem Bereich von 30K bis 90K unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff-Matrixmaterials und besonders bevorzugt 40°C oder mehr oder sogar 60K oder mehr unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff-Matrixmaterials. Es werden vorzugsweise
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Still more preferably, the predetermined temperature is in a range of 30K to 90K below the glass transition temperature of the plastic matrix material, and more preferably 40 ° C or more or even 60K or more below the glass transition temperature of the plastic matrix material. They are preferably
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Kunststoffe für das Kunststoff-Matrixmaterial ausgewählt, die eine Glasübergangstemperatur von 120 °C oder höher aufweisen.  Plastics selected for the plastic matrix material, which have a glass transition temperature of 120 ° C or higher.
Der vorbestimmte Zeitraum für den Vorgang des Vorsetzens liegt vorzugsweise in einem Bereich von bis zu 24 Stunden, bevorzugt in einem Bereich von 1 Sekunde bis 8 Stunden, weiter bevorzugt in einem Bereich von 1 Sekunde bis 10 Minuten, besonders bevorzugt in einem Bereich von 8 Stunden bis 24 Stunden, insbesondere bei Temperaturen in einem Bereich von 80°C bis 90°C. In diesem Zeitfenster findet nach den Erkenntnissen der Erfindung beim Vorsetzen der Composite-Feder die signifikanteste Reduktion des Setzens statt. Im Rahmen der Erfindung hat sich die Erkenntnis ergeben, dass die Vorsetzdauer umso kürzer ausfallen sollte, je näher die Vorsetztemperatur sich der Glasübergangstemperatur annähert. Ein besonders schonendes Vorsetzen wird daher vorzugsweise vorgenommen werden bei Temperaturen, die sich im unteren Bereich der vorstehend angegebenen Wertebereiche befinden, und die Vorsetzdauer wird sich in Richtung des oberen Endes der vorstehend genannten Bereiche orientieren. Dem entgegen ist besonders bevorzugt, bei Temperaturen in der Nähe der Glasübergangstemperatur möglichst kurze Vorsetzdauern zu halten. The predetermined period for the presetting operation is preferably in a range of up to 24 hours, preferably in a range of 1 second to 8 hours, more preferably in a range of 1 second to 10 minutes, particularly preferably in a range of 8 hours to 24 hours, especially at temperatures in a range of 80 ° C to 90 ° C. In this time window finds the knowledge of the invention when presetting the composite spring, the most significant reduction of setting instead. In the context of the invention, the finding has emerged that the presetting time should be shorter the closer the presetting temperature approaches the glass transition temperature. Therefore, a particularly gentle pre-setting will preferably be carried out at temperatures which are in the lower range of the value ranges indicated above, and the presetting time will be oriented towards the upper end of the abovementioned ranges. On the other hand, it is particularly preferred to keep the shortest possible presetting periods at temperatures in the vicinity of the glass transition temperature.
In einer alternativen Ausführungsform liegt beispielsweise die Vorsetztemperatur in einem Bereich zwischen 105°C und 1 15°C, und die vorbestimmte Zeitdauer für das Vorsetzen in einem Bereich zwischen 3 Minuten und 7 Minuten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Vorsetztemperatur bei 1 15°C bis 120°C, und die Vorsetzdauer in einem Bereich zwischen 30 Sekunden und 90 Sekunden. In diesen Bereichen tritt bei den meisten verwendeten Verbundwerkstoffen nach dem Vorsetzen nur noch geringes Setzverhalten auf, und es ist gleichermaßen kein vorzeitiger Bruch der Feder zu befürchten. For example, in an alternative embodiment, the presetting temperature is in a range between 105 ° C and 15 ° C, and the predetermined time for presetting is in a range between 3 minutes and 7 minutes. In a further preferred embodiment, the presetting temperature is 1 15 ° C to 120 ° C, and the Vorsetzdauer in a range between 30 seconds and 90 seconds. In these areas occurs in most composites used after Vorsetzen only low setting behavior, and there is equally no premature breakage of the spring to be feared.
Durch Ausdehnung des Zeitraums über den vorstehend erwähnten Bereich hinaus lassen sich noch weitere Verbesserungen hinsichtlich des Vorsetzens erzielen. Gerade der letztgenannte Bereich stellt aber mit Blick auf eine wirtschaftliche Herstellung einen bevorzugten Kompromiss dar. Die Composite-Feder weist bei vollständiger Kompression vorzugweise ein Blockmaß Lmin auf, und wird während des Vorsetzens auf eine Vorsetzlänge Lv komprimiert, die größer
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By extending the period beyond the aforementioned range, further improvements can be made in terms of presetting. However, the latter area in particular represents a preferred compromise with a view to economic production. The composite spring preferably has a block dimension Lmin when fully compressed, and is compressed during presetting to a presetting length Lv which is greater
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oder gleich dem Blockmaß und vorzugsweise geringer als die Länge der herzustellenden Composite-Feder ist. or equal to the block dimension and preferably less than the length of the composite spring to be produced.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Vorsetzens ein statisches Stauchen mittels Aufbringen einer vorbestimmten Stauchkraft, nachfolgend auch Vorsetzkraft bezeichnet. Die Stauchkraft wird vorzugsweise während des Vorsetzens konstant gehalten. Je nachdem, wie lang der Zeitraum des Vorsetzvorgangs eingestellt ist, ist bei konstanter Stauchkraftregelung eine Längenänderung der Vorsetzlänge Lv während des Vorsetzens zu beobachten. In a preferred embodiment, the step of presetting comprises a static compression by applying a predetermined compression force, hereinafter also referred to Vorsetzkraft. The compression force is preferably kept constant during Vorsetzens. Depending on how long the period of the presetting operation is set, a change in length of the presetting length Lv during pre-setting is observed with constant compression force control.
Alternativ oder als zusätzlicher Schritt wird vorzugsweise während des Vorsetzens die Vorsetzlänge konstant gehalten. Bei Regelung der Vorsetzlänge während des Schritts des Vorsetzens ist aufgrund einer einsetzenden Relaxation der Composite-Feder je nach gewähltem Zeitraum des Vorsetzvorgangs eine Reduzierung der zum Halten der Vorsetzlänge notwendigen Stauchkraft zu beobachten. Alternatively or as an additional step, the presetting length is preferably kept constant during presetting. When the Vorsetzlänge is controlled during the presetting step, a reduction in the compression force necessary to hold the presetting length is observed due to the onset of relaxation of the composite spring, depending on the selected pre-setting period.
Bei beiden Varianten kann die Feder vor und oder beim Stauchen auf die Vorsetztemperatur erwärmt werden. Bei beiden Varianten kann die Feder nach Abschluss des Vorsetzens unter Temperatur entspannt werden oder im gespannten Zustand abgekühlt werden. Mit beiden Varianten lässt sich eine angestrebte Kombination von Federkraft und Federlänge einstellen. Zudem können leichte statistische Schwankungen in der Federlänge bei diesem Schritt korrigierend ausgeglichen werden. Dieses gilt insbesondere für eine Korrektur/ Optimierung des Kraftdurchstoßpunktes sowie für die Einhaltung einer Längentoleranz bei Auslieferung oder der Federratentoleranz. In both variants, the spring can be heated to the presetting temperature before and / or during upsetting. In both variants, the spring can be relaxed under temperature after completion of Vorsetzens or cooled in the tensioned state. With both variants, a desired combination of spring force and spring length can be set. In addition, slight statistical variations in spring length can be compensated for in this step. This applies in particular to a correction / optimization of the force penetration point and for compliance with a length tolerance at delivery or the spring rate tolerance.
Sofern im Rahmen der Erfindung von einem Kunststoff-Matrixmaterial gesprochen wird, so ist im Rahmen dessen jedes Material zu verstehen, das geeignet ist, die Fasern nach Ablage in ihrer Position zu fixieren. Je höher die Erweichungstemperatur, Medienbeständigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Verarbeitbarkeit des Materials ausgebildet sind, desto geeigneter ist das Material für die Verwendung als Kunststoff-Matrixmaterial im Rahmen der vorliegenden Erfindung. If, in the context of the invention, a plastic matrix material is used, then in the context of this is meant any material which is suitable for fixing the fibers in their position after being deposited. The higher the softening temperature, media resistance, fatigue strength, and processability of the material are formed, the more suitable the material is for use as a plastic matrix material in the present invention.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Kunststoff-Matrixmaterial ein duroplastisches Polymer, beispielsweise ein Polyesterharz, Vinylesterharz, Polyurethanharz oder Epoxidharz, Polyurethanharzkombinationen (PU-PIR, PU-Acrylat).
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In preferred embodiments, the plastic matrix material is a thermosetting polymer, for example a polyester resin, vinyl ester resin, polyurethane resin or epoxy resin, polyurethane resin combinations (PU-PIR, PU acrylate).
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In alternativ bevorzugten Ausführungsformen ist das Kunststoff-Matrixmaterial ein thermoplastisches Polymer, beispielsweise ein Polyamid, Polypropylen, oder Polyethylen.  In alternatively preferred embodiments, the plastic matrix material is a thermoplastic polymer, for example a polyamide, polypropylene, or polyethylene.
Je nach ausgewähltem Kunststoff-Matrixmaterial wird vorzugsweise die für den Vorsetzvorgang vorzusehende vorbestimmte Temperatur in Abhängigkeit der Glasübergangstemperatur des jeweils ausgewählten Kunststoff-Matrixmaterials eingestellt. Die Glasübergangstemperatur des jeweiligen Materials lässt sich entweder allgemein bekannten und für die Materialien vorgesehenen Datenblättern entnehmen, oder alternativ experimentell bestimmen. Depending on the selected plastic matrix material, the predetermined temperature to be provided for the presetting process is preferably set as a function of the glass transition temperature of the respectively selected plastic matrix material. The glass transition temperature of the respective material can either be taken from generally known data sheets intended for the materials, or alternatively determined experimentally.
Die Composite-Feder, die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, weist vorzugsweise einen Wickelkern auf, um welchen wenigstens ein Faser-Roving herumgewickelt ist, bzw. wird. Der Wickelkern ist in bevorzugten Ausführungsformen vorzugsweise eine Anordnung verdrillter Fasern, ein Vollkern, ein ummantelter Vollkern, ein Hohlkern oder ein ummantelter Hohlkern. Unter einem Kern ist im Rahmen der 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. Der Querschnitt des Kerns ist vorzugsweise kreisförmig, kann jedoch grundsätzlich, oval, elliptisch, polygonal oder als Mischform aus mehreren der vorstehenden Grundformen ausgebildet sein. Ein Hohlkern würde im Vergleich zu einem Vollkern aufgrund einer inneren Aussparung eine Gewichtsreduktion mit sich bringen. Werden als Wickelkern verdrillte Fasern verwendet, so ist hierunter zu verstehen, dass die Fasern vorzugsweise untereinander verdrillt sind. The composite spring used in the method according to the invention preferably has a winding core around which at least one fiber roving is wound. In preferred embodiments, the winding core is preferably an arrangement of twisted fibers, a solid core, a sheathed solid core, a hollow core or a sheathed hollow core. In the context of the invention, a core is to be understood as meaning a component or element which is provided for depositing the fibers. In other words, a core may be any component or element having a deposition surface on which fibers can be deposited. The cross section of the core is preferably circular, but may be formed in principle, oval, elliptical, polygonal or mixed form of several of the above basic shapes. A hollow core would bring with it a weight reduction compared to a solid core due to an internal recess. If twisted fibers are used as the winding core, this is to be understood as meaning that the fibers are preferably twisted together.
Besonders bevorzugt ist der Wickelkern aus einem nichtmetallischen Werkstoff ausgebildet. Particularly preferably, the winding core is formed from a non-metallic material.
Das wenigstens eine Faser-Roving des Composites ist vorzugsweise aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Sisalfasern, Hanffasern, Baumwollfasern oder Bambusfasern, oder aus einer Unterkombination von zwei oder mehr dieser Fasertypen ausgebildet. The at least one fiber roving of the composite is preferably formed of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, basalt fibers, sisal fibers, hemp fibers, cotton fibers or bamboo fibers, or a subcombination of two or more of these types of fibers.
Weiter vorzugsweise weist die Composite-Feder, und mit ihr die fertige Composite-Feder, einen mehrschichtigen Aufbau um den Wickelkern herum auf, wobei unterschiedliche Rovings in mehreren Schichten übereinander angeordnet sind, bzw. werden. Die Rovings in den unterschiedlichen Schichten unterscheiden sich vorzugsweise in ihrer Ausrichtung relativ zu den Rovings anderer Schichten, jeweils betrachtet relativ zur
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Further preferably, the composite spring, and with it the finished composite spring, a multi-layered structure around the winding core around, wherein different rovings are arranged in several layers one above the other, or be. The rovings in the different layers preferably differ in their orientation relative to the rovings of other layers, each viewed relative to
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Erstreckungsrichtung des Wickelkerns, und/oder in ihrer Faserart, und/oder hinsichtlich ihres Durchmessers.  Extension direction of the winding core, and / or in their fiber type, and / or in terms of their diameter.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt während des Schritts des Herstellens der Composite-Feder das Einbetten des Faserwerkstoffs in das Kunststoff- Matrixmaterial mittels Tränken des oder der Rovings mit einem Tränkmittel. Unter einem Tränkmittel ist im Rahmen der Erfindung grundsätzlich jedes Kunststoff-Matrixmaterial zu verstehen, das durch Aushärten, wie beispielsweise durch Polymerisation, zur Verklebung der Fasern und Schichten untereinander und damit zu einer Verfestigung des Faserverbund-werkstoffes 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 Kunststoff- Matrixmaterial, 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 oder Polyamid sein. Das Tränken erfolgt in bevorzugten Alternativen vor, während oder nach dem Aufwickeln des oder der Rovings auf den Wickelkern. In a further preferred embodiment, during the step of producing the composite spring, the embedding of the fiber material into the plastic matrix material takes place by means of impregnating the roving with an impregnating agent. An impregnating agent is to be understood in the context of the invention basically any plastic matrix material which leads by curing, such as by polymerization, for bonding the fibers and layers to one another and thus to a solidification of the fiber composite material. As impregnating agent in the context of the present invention, in particular a monomer or polymer-based liquid is used. In particular, the impregnating agent can be a liquid plastic 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, for example based on polypropylene, polyethylene or polyamide. The impregnation takes place in preferred alternatives before, during or after the winding of the rovings onto the winding core.
Die Erfindung wurde vorstehend und gemäß einem ersten Aspekt unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ferner die eingangs bezeichnete Composite-Feder. Die Erfindung löst bei jener Composite-Feder die eingangs bezeichnete Aufgabe dadurch, dass die Composite-Feder unter Stauchung thermisch vorgesetzt ist. Die erfindungsgemäße Composite-Feder ist vorzugsweise hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt und macht sich die selben Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen wie das erfindungsgemäße Verfahren zunutze. The invention has been described above and according to a first aspect with reference to the inventive method. In a second aspect, the invention further relates to the initially described composite spring. The invention solves the task described in the composite spring in that the composite spring is pre-set thermally under compression. The composite spring according to the invention is preferably produced by the method according to the invention according to the first aspect and makes use of the same advantages and preferred embodiments as the method according to the invention.
Vorzugsweise ist das Kunststoff-Matrixmaterial der Composite-Feder ein duroplastisches Polymer, beispielsweise ein Polyesterharz, Vinylesterharz, Polyurethanharz oder Epoxidharz. Alternativ ist das Kunststoff-Matrixmaterial ein thermoplastisches Polymer, beispielsweise ein Polyamid, Polypropylen, oder Polyethylen. Die Composite-Feder weist vorzugsweise einen Wickelkern auf, um welchen wenigstens ein Faser-Roving herumgewickelt ist.
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Preferably, the plastic matrix material of the composite spring is a thermosetting polymer, for example a polyester resin, vinyl ester resin, polyurethane resin or epoxy resin. Alternatively, the plastic matrix material is a thermoplastic polymer, for example a polyamide, polypropylene, or polyethylene. The composite spring preferably has a winding core around which at least one fiber roving is wound.
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Der Wickelkern der Composite-Feder ist vorzugsweise aus einem nichtmetallischen Werkstoff ausgebildet, beispielsweise aus Polyethylen.  The winding core of the composite spring is preferably formed from a non-metallic material, for example polyethylene.
Das wenigstens eine Faser-Roving ist vorzugsweise aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder einer Unterkombination von zwei oder mehr dieser Fasertypen ausgebildet. The at least one fiber roving is preferably formed of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers or a subcombination of two or more of these types of fibers.
Vorzugsweise weist die Composite-Feder einen mehrschichtigen Aufbau um den Wickelkern herum auf, wobei mehrere (gleiche oder unterschiedliche) Rovings in den mehreren Schichten übereinander angeordnet sind. Preferably, the composite spring has a multilayer structure around the winding core, with a plurality of (same or different) rovings in the plurality of layers being stacked.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird hinsichtlich der Vorteile dieser bevorzugten Ausführungsform auf die obigen Ausführungen zum Verfahren gemäß dem ersten Aspekt verwiesen. To avoid repetition, reference is made to the above explanations regarding the method according to the first aspect with regard to the advantages of this preferred embodiment.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Hierbei zeigen: The invention will be described below with reference to the accompanying figures with reference to a preferred embodiment. Hereby show:
Figur 1 einen schematischen Aufbau einer Einrichtung zum thermischen Figure 1 shows a schematic structure of a device for thermal
Vorsetzen einer Composite-Feder,  Pre-setting a composite spring,
Figur 2 und Figur 3 alternative Betriebszustände der Einrichtung gemäß Figur 1 FIG. 2 and FIG. 3 show alternative operating states of the device according to FIG. 1
Figur 4a eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Composite-Feder, und Figure 4a is a detail view of a composite spring according to the invention, and
Figur 4b eine Schnittdarstellung eines Details der Composite-Feder gemäß Figur 4a, und Figure 4b is a sectional view of a detail of the composite spring according to Figure 4a, and
Figur 5 eine grafische Darstellung von Versuchsergebnissen. Figure 5 is a graphical representation of test results.
Figur 1 zeigt zunächst eine Einrichtung 100 zum thermischen Vorsetzen von Composite- Federn. Die Einrichtung 100 weist eine Aufnahme 101 auf, in der eine Composite-Feder 1 mit einer Ursprungslänge Lo aufgenommen ist. Die Einrichtung 100 weist einen Stempel 103 auf, der mittels eines Aktuators 105 in Richtung einer Längsachse x zum Aufbringen einer Vorsetzkraft bewegbar ist. Die Composite-Feder 1 , welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Composite-Schraubendruckfeder ausgebildet ist, ist koaxial zur
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FIG. 1 shows first a device 100 for the thermal presetting of composite springs. The device 100 has a receptacle 101, in which a composite spring 1 is taken with an original length Lo. The device 100 has a punch 103, which is movable by means of an actuator 105 in the direction of a longitudinal axis x for applying a Vorsetzkraft. The composite spring 1, which is formed in the present embodiment as a composite helical compression spring is coaxial with
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Achse x ausgerichtet. In Figur 2 ist der Vorgang des thermischen Vorsetzens angedeutet. Die Composite-Feder 1 ist durch den Stempel 103 auf eine Vorsetzlänge Lv komprimiert, wobei auf die Composite-Feder 1 eine Vorsetzkraft Fv wirkt. Zusätzlich wird in der Aufnahme 101 mittels einer Heizeinrichtung 107 eine vorbestimmte Temperatur eingestellt, welche die Composite-Feder 1 annimmt. Der in Figur 2 gezeigte Zustand wird in bevorzugten Ausführungsformen für einen Zeitraum zwischen 1 Minute und 24 Stunden aufrechterhalten. Die Länge Lv, auf welche die Composite-Feder 1 komprimiert ist, ist vorzugsweise größer als eine Blocklänge D™ (nicht dargestellt) bei welcher die Windungen der Composite-Feder 1 unmittelbar an benachbarte Windungen anstoßen würden. So, wie der Stempel eine Vorsetzkraft aufbringen kann, kann alternativ auch ein Vorsetzweg aufgebracht werden, wobei bis auf eine eingespannte Länge gefahren.  Axis x aligned. In Figure 2, the process of thermal Vorsetzens is indicated. The composite spring 1 is compressed by the punch 103 to a Vorsetzlänge Lv, wherein on the composite spring 1 a Vorsetzkraft Fv acts. In addition, a predetermined temperature is set in the receptacle 101 by means of a heater 107, which assumes the composite spring 1. The state shown in Figure 2 is maintained in preferred embodiments for a period of between 1 minute and 24 hours. The length Lv to which the composite spring 1 is compressed is preferably greater than a block length D ™ (not shown) at which the turns of the composite spring 1 would abut directly adjacent turns. As well as the stamp can muster a Vorsetzkraft, alternatively, a Vorsetzweg can be applied, being driven to a clamped length.
In Figur 3 ist die Einrichtung 100 der Figuren 1 und 2 nach erfolgtem Vorsetzvorgang abgebildet. Die Vorsetzkraft Fv liegt nicht mehr am Stempel 103 an, und der Stempel 103 ist vorzugsweise mittels des Aktuators 105 in seine ursprüngliche Position wie in Figur 1 zurück verfahren worden. Die Composite-Feder 1 im Inneren der Aufnahme 101 nimmt nun die für die finale Composite-Feder vorgesehene Lände L ein, welche kleiner oder gleich der Vorsetzlänge Lv kleiner als die Ursprungslänge Lo ist. FIG. 3 shows the device 100 of FIGS. 1 and 2 after the pre-setting process has been completed. The presetting force Fv is no longer applied to the stamp 103, and the stamp 103 has preferably been moved back to its original position by means of the actuator 105 as in FIG. The composite spring 1 in the interior of the receptacle 101 now assumes the intended for the final composite spring Lände L, which is less than or equal to the Vorsetzlänge Lv smaller than the original length Lo.
Die Figuren 4a und 4b zeigen exemplarisch einen bevorzugten strukturellen Aufbau der Composite-Feder 1. Die Composite-Feder 1 weist zumindest eine erste Endwindung 2 auf, an welche sich mehrere Windungen 4 anschließen. Die Windungen 4 können identische Windungssteigungen oder sich progressiv und/oder degressiv veränderte Steigungen aufweisen. FIGS. 4a and 4b show, by way of example, a preferred structural design of the composite spring 1. The composite spring 1 has at least one first end turn 2, to which a plurality of turns 4 adjoin. The turns 4 may have identical turns or progressively and / or degressively changed slopes.
Die in Figur 4a zunächst von außen gezeigte Composite-Feder 1 weist vorzugsweise den in Figur 4b gezeigten strukturellen Aufbau auf. In ihrem Inneren weist die Composite-Feder 1 einen Wickelkern 3 auf, welcher beispielsweise als Hohlkern oder Vollkern ausgebildet sein kann. Um den Wickelkern 3 herum ist eine erste Rovingschicht 5 mit einer ersten Faserausrichtung und Schichtdicke angeordnet. Um die erste Rovingschicht 5 herum ist vorzugsweise wenigstens eine weitere Rovingschicht angeordnet, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zweite Rovingschicht 7 und eine dritte Rovingschicht 9. Die Rovingschichten 5, 7, 9 können sich hinsichtlich ihrer Faserart, Faserausrichtung relativ zur Erstreckungsrichtung des Wickelkerns 3, Faserdicke beziehungsweise Faserbündeldicke, Schichtdicke und weiterer Kriterien unterscheiden, oder auch übereinstimmen. Besonders bevorzugt sind die Faser-Rovings 5,7, 9 mit dem selben Tränkmittel durchtränkt und in demselben Kunststoff-Matrixmaterial eingebettet. Hierzu
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The composite spring 1 initially shown from the outside in FIG. 4a preferably has the structural structure shown in FIG. 4b. In its interior, the composite spring 1 on a winding core 3, which may be formed, for example, as a hollow core or solid core. Around the winding core 3, a first roving layer 5 with a first fiber orientation and layer thickness is arranged. At least one further roving layer is preferably arranged around the first roving layer 5, in the present exemplary embodiment a second roving layer 7 and a third roving layer 9. The roving layers 5, 7, 9 can be fiber thickness or orientation relative to the direction of extension of the winding core 3, fiber thickness or fiber thickness Fiber bundle thickness, layer thickness and other criteria differ, or even agree. Particularly preferably, the fiber rovings 5, 7, 9 are impregnated with the same impregnating agent and embedded in the same plastic matrix material. For this
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werden die Rovings 5, 7, 9 getränkt, was beispielsweise während, vor oder nach dem Umwickeln des Wickelkerns 3 erfolgen kann. the rovings 5, 7, 9 soaked, which can be done for example during, before or after the wrapping of the winding core 3.
Zur Veranschaulichung der Erfindung wurden für das Verfahren verschiedene Ausführungsbeispiele durchgeführt, um das Setzverhalten der so behandelten Composite- Federn 1 zu untersuchen. To illustrate the invention, various embodiments have been carried out for the method to investigate the setting behavior of the thus treated composite springs 1.
Untersucht wurden in den folgenden Beispielen rechtsdrehende Composite- Schraubendruckfedern unter Kompression mit den Abmessungen Federdurchmesser D = 108 mm, Außendurchmesser des Composite-Strangs d = 20 mm, Innendurchmesser des Composite-Strangs di = 10,0 mm. Die Steigung war an den Endwindungen in der Regel flacher als an den mittleren Windungen. Die Steigung der Feder-Auflagen ist in Tabelle 1 mit aufgeführt. Die Ursprungslänge der Composite-Federn betrug Lo=254 mm. The following examples examined dextrorotatory compression coil springs under compression with dimensions of spring diameter D = 108 mm, outside diameter of the composite strand d = 20 mm, inside diameter of the composite strand di = 10.0 mm. The slope was usually flatter at the end turns than at the middle turns. The pitch of the spring pads is listed in Table 1 with. The original length of the composite springs was Lo = 254 mm.
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Tabelle 1  Table 1
Als Kunststoff-Matrixmaterial wurde ein Epoxidsystem verwendet, das sich aus dem Harz Bisphenol-A-Disglycidylether (100 Teile), dem Härter Dicyandiamid (6,5 Teile) und dem Beschleuniger Uron (3 Teile) zusammensetzt. Die Glasübergangstemperatur des Systems wurde mit einer dynamisch-mechanischen Analyse für den reinen Kunststoff bei 137°C (Polymer-Tg, im Rheometer analog DMA) gemessen. Das Material der Faser-Rovings war Glas, insbesondere wurden 2400 tex Rovings verwendet. Der Fasermassenanteil wurde ermittelt bei 65% +1-2%. Die Federn wiesen einen Wickelkern auf, der als Hohlkern ausgebildet war, nämlich als ein PE-Inliner von 10 mm Außendurchmesser und 1 mm Wandstärke, und der daher ohne wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit und Steifigkeit der Federn war. As the plastic matrix material, an epoxy system composed of the resin bisphenol A disglycidyl ether (100 parts), the curing agent dicyandiamide (6.5 parts) and the accelerator Uron (3 parts) was used. The glass transition temperature of the system was measured by a dynamic mechanical analysis for the pure plastic at 137 ° C (polymer Tg, in the rheometer analog DMA). The material of the fiber rovings was glass, in particular 2400 tex rovings were used. The fiber mass fraction was determined at 65% + 1-2%. The springs had a winding core formed as a hollow core, namely a PE inliner of 10 mm outer diameter and 1 mm wall thickness, and therefore had no significant influence on the strength and rigidity of the springs.
Die Composite-Stränge, aus denen die Composite-Federn hergestellt wurden, wurden als Schläuche mit kontinuierlichem Pullwinding in einer 50 m Endlosschleife mit 16 Fäden pro Lage hergestellt. Die Federn wurden auf einer Innenform aufgewickelt, mit einer zweiteiligen Außenform umschlossen und nach Ziehen der mechanisch kollabierenden Innenform in der Außenform für 2 h bei 120°C gehärtet.
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The composite strands from which the composite springs were made were fabricated as continuous pull-twist tubes in a 50 m loop with 16 strands per ply. The springs were wound on an inner mold, enclosed with a two-part outer mold and cured after pulling the mechanically collapsing inner mold in the outer mold for 2 h at 120 ° C.
Figure imgf000014_0001
Die Composite-Federn hatten einen mehrschichtigen Aufbau. Es wurden mehrere Schichten von Faser-Rovings grobschichtig mit einem Verhältnis der druckbelasteten Fasern zu zugbelasteten Fasern von 2/3: [-42°, -48°], [+42°, +48°, +42°] vorgesehen.  The composite springs had a multilayer structure. Several coats of fiber rovings were coarsely layered with a ratio of compressively loaded fibers to tensile fibers of 2/3: [-42 °, -48 °], [+ 42 °, + 48 °, + 42 °].
Versuchsreihe 1 - Lastniveau: Zwei Composite-Federn wurden ohne Vorbehandlung bei Raumtemperatur in einem Bereich vom 18°C bis 25°C mit 5,3 kN bei einer Frequenz von 3,5 1/s dynamisch belastet und brachen erst nach mehr als einer Million Zyklen. Versuche zur statischen Belastung von zwei weiteren Federn mit 4 kN bei 100°C und 1 10°C führten zum Bruch. Test Series 1 - Load Level: Two composite springs were dynamically loaded without pretreatment at room temperature in a range from 18 ° C to 25 ° C at 5.3kN at a frequency of 3.5 1 / s and only broke after more than one million cycles. Tests for the static load of two further springs with 4 kN at 100 ° C and 1 10 ° C led to the break.
Versuchsreihe 2 - Setzverhalten: Eine einzelne Composite-Feder wurde bei einer vorbestimmten Temperatur jeweils fünf Mal infolge mit bis zu 3,5 kN belastet, um erste Hinweise auf die Verformung unter Temperatur zu erhalten. Es wurden Versuche bei 40°C, 50°C, 60°C, 70°C, 80°C, 90°C, 100 °C, 1 10°C, 120°C durchgeführt. Die Vorsetzlänge Lv der Composite-Federn nahm hierbei dabei infolge Setzen ab. Ermittelt wurde für jede Temperatur die sich innerhalb der fünf Hübe ergebende Differenz zwischen der größten und kleinsten Auslenkung bei 3,5 kN als Setzbetrag bei dieser Temperatur. Dabei war den Daten zu entnehmen, dass diese Differenz mit steigender Temperatur als Konsequenz des schnelleren Setzens wuchs. Diese Versuchsreihe belegt bereits den starken Einfluss der Temperatur auf den Setzvorgang. Beim letzten Zyklus bei 120°C war die Composite-Feder so stark erweicht, dass sie die 3,5 kN als Gegenkraft nur viermal aufbauen konnte und beim fünften Hub bei 2,6 kN bis auf Blockmaß zusammengeschoben wurde. Series 2 - Settling Behavior: A single composite spring was loaded at a predetermined temperature five times as a result of up to 3.5 kN for initial evidence of deformation under temperature. Experiments were carried out at 40 ° C, 50 ° C, 60 ° C, 70 ° C, 80 ° C, 90 ° C, 100 ° C, 1 10 ° C, 120 ° C. The presetting length Lv of the composite springs decreased as a result of setting. For each temperature, the difference between the largest and the smallest deflection at 3.5 kN within the five strokes was determined as the settling amount at this temperature. The data showed that this difference increased with increasing temperature as a consequence of faster settling. This series of tests already proves the strong influence of the temperature on the setting process. During the last cycle at 120 ° C, the composite spring softened so much that it could only build up the 3.5 kN as a counterforce four times, and at the fifth stroke at 2.6 kN it was pushed together to block size.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt: The results are shown in Table 2:
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Tabelle 2; *: nur 4 Hübe möglich
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Table 2; *: only 4 strokes possible
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Versuchsreihe 3 - Dynamisches Setzen nach Vorsetzen: Trial 3 - Dynamic setting after pruning:
Drei verschiedene Composite-Federn wurden jeweils 24 h in einer statischen Prüfeinheit mit 3,5 kN Vorsetzkraft bzw. Stauchkraft belastet. Eine erste Composite-Feder wurde bei 60°C vorgesetzt, eine zweite Composite-Feder wurde bei 80°C vorgesetzt und eine dritteThree different composite springs were each loaded for 24 h in a static test unit with 3.5 kN Vorsetzkraft or compression force. A first composite spring was set at 60 ° C, a second composite spring was preset at 80 ° C and a third
Composite-Feder wurde bei 100°C vorgesetzt. Im Anschluss wurden sie im Vergleich zu einer nicht thermisch Vorgesetzten vierten Composite-Feder dynamisch über 500.000 Zyklen pulsierend belastet mit 0,2 - 3,5 kN bei Raumtemperatur (23°C) und einer Prüffrequenz von 3,5 1/s. Bei keiner der Composite-Federn trat ein Bruch auf. Der Setzbetrag wurde ermittelt. Die bei 80°C gesetzte Feder wurde im Anschluss noch mehr als 800.000 Zyklen mit 4,6 kN beaufschlagt, ohne zu brechen, was belegt, dass keine wesentliche Schädigung durch das Vorsetzen erfolgte. Composite spring was preset at 100 ° C. Following this, they were dynamically pulsed over 500,000 cycles of 0.2 - 3.5 kN at room temperature (23 ° C) and a test frequency of 3.5 1 / s compared to a non-thermally superior fourth composite spring. None of the composite springs broke. The deposit amount was determined. The set at 80 ° C spring was then applied for more than 800,000 cycles with 4.6 kN without breaking, which proves that no significant damage was caused by the Vorsetzen.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt:  The results are shown in Table 3:
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Tabelle 3  Table 3
Versuchsreihe 4 - Statisches Setzen bei erhöhter Temperatur nach Vorsetzen: Series 4 - Static setting at elevated temperature after priming:
Zwei gleichartige Composite-Federn Fi und F2 wurden jeweils in einer statischen Prüfeinheit bei einer Temperatur von 100°C mit 3,5 kN belastet. Die erste Composite-Feder Fi wurde für 1 h belastet, und die zweite Composite-Feder F2 wurde über einen Zeitraum 24 h belastet. Im Anschluss wurden beide Composite-Federn Fi, F2 unter Last auf unter 30°C abgekühlt. Danach wurden sie im Vergleich zu einer nicht vorbelasteten dritten Composite-Feder F3 statisch über 24 h bzw. 96 h belastet, wobei die erste Composite- Feder Fi und die dritte Composite-Feder F3 mit 3,5 kN belastet wurden und die über 24h Vorgesetzte zweite Composite-Feder F2 mit 2,5 kN belastet wurde. Die Belastung erfolgte bei einer Temperatur von 80°C. Der Vergleich zwischen Versuchen mit 2,5 und 3,5 kN ist zulässig, da die plastische Änderung des Weges As in Bezug zur elastischen Wegänderung s gesetzt wird. Die Ergebnisse sind in Figur 5 dargestellt. Wie sich aus Fig. 5 ergibt, wurde das Setzverhalten der Federn Fi und F2 gegenüber der nicht Vorgesetzten Composite-Feder F3 deutlich reduziert. Es ist zu beachten, dass die bei 100°C über 1 h belastete Composite-Feder Fi lediglich um ca. 17 mm vorgesetzt worden war, während die bei 100°C über 24h belastete Composite-Feder F2 schon um ca. 84 mm vorgesetzt worden war.
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Two identical composite springs Fi and F2 were each loaded in a static test unit at a temperature of 100 ° C with 3.5 kN. The first composite spring Fi was loaded for 1 h, and the second composite spring F2 was loaded for a period of 24 h. Subsequently, both composite springs Fi, F2 were cooled under load to below 30 ° C. After that, they were statically loaded for 24 h and 96 h, respectively, compared to a non-preloaded third composite spring F3, whereby the first composite spring Fi and the third composite spring F3 were loaded with 3.5 kN and the over 24h supervisor second composite spring F2 was loaded with 2.5 kN. The load was carried out at a temperature of 80 ° C. The comparison between 2.5 and 3.5 kN tests is permissible since the plastic change in the path As is related to the elastic displacement s. The results are shown in FIG. As is apparent from Fig. 5, the setting behavior of the springs Fi and F2 was compared to the non-superior composite spring F3 significantly reduced. It should be noted that the loaded at 100 ° C for 1 h composite spring Fi was set by only about 17 mm, while the loaded at 100 ° C for 24 h composite spring F2 already been preset by about 84 mm was.
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Es wurde also gezeigt, dass das Vorsetzen von Composite-Federn bei erhöhten Temperaturen das Setzen unter statischer oder dynamischer Belastung deutlich verringert. Der Prozess des Vorsetzens kann durch Erhöhen der Temperatur deutlich beschleunigt und das anschließende Setzverhalten deutlich verringert werden. Sofern die Glasübergangstemperatur unterschritten wird und die Setzdauer begrenzt wird, können großformatige Verformungen und potentielle Schädigungen der Composite-Federn zudem vermieden werden.  It has thus been shown that pre-setting composite springs at elevated temperatures significantly reduces settling under static or dynamic loading. The process of presetting can be significantly accelerated by increasing the temperature and the subsequent setting behavior can be significantly reduced. If the glass transition temperature is exceeded and the setting time is limited, large-scale deformations and potential damage to the composite springs can also be avoided.

Claims

Ansprüche: Claims:
1. Verfahren zur Herstellung einer Composite-Feder (1 ), insbesondere einer Composite-Schraubendruckfeder, mit einer designierten Länge (L), umfassend die Schritte: A method of making a composite spring (1), in particular a composite helical compression spring, of a designated length (L) comprising the steps of:
- Herstellen oder Bereitstellen einer Composite-Feder (1 ) mit einer Ursprungs-Länge- Making or providing a composite spring (1) with an original length
(Lo), wobei die Composite-Feder (1 ) aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher ein Kunststoff-Matrixmaterial und darin eingebettete Verstärkungsfasern aufweist, und (Lo), wherein the composite spring (1) is formed of a fiber composite material having a plastic matrix material and reinforcing fibers embedded therein, and
- thermisches Vorsetzen der Composite-Feder (1 ) mittels Stauchung bei einer vorbestimmten Temperatur über einen vorbestimmten Zeitraum auf die Länge (L), wobei die Länge (L) geringer ist als die Ursprungs-Länge (Lo), nach dem Schritt des Herstellens beziehungsweise Bereitstellens.  - Thermal Vorsetzen the composite spring (1) by compression at a predetermined temperature over a predetermined period of time to the length (L), wherein the length (L) is less than the original length (Lo), after the step of manufacturing or providing.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , 2. The method according to claim 1,
wobei die vorbestimmte Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff-Matrixmaterials liegt. wherein the predetermined temperature is below the glass transition temperature of the plastic matrix material.
3. Verfahren nach Anspruch 2, 3. The method according to claim 2,
wobei die vorbestimmte Temperatur 5K oder mehr unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff-Matrixmaterials liegt, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5K unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff- Matrixmaterials und 90K unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoff- Matrixmaterials. wherein the predetermined temperature is 5K or more below the glass transition temperature of the plastic matrix material, preferably in a range between 5K below the glass transition temperature of the plastic matrix material and 90K below the glass transition temperature of the plastic matrix material.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, 4. The method according to any one of the preceding claims,
wobei der vorbestimmte Zeitraum in einem Bereich von bis zu 24 Stunden liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 8 Stunden bis 24 Stunden. wherein the predetermined period of time is in a range of up to 24 hours, preferably in a range of 8 hours to 24 hours.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, 5. The method according to any one of the preceding claims,
wobei die Composite-Feder (1 ) ein Blockmaß (Lmin) aufweist und während des Vorsetzens auf eine Vorsetzlänge (Lv) komprimiert wird, die größer als das Blockmaß (Lmin) ist, und vorzugsweise geringer als die Länge (L). wherein the composite spring (1) has a block gauge (Lmin) and is compressed during presetting to a presetting length (Lv) larger than the block gauge (Lmin), and preferably smaller than the length (L).
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, 6. The method according to any one of the preceding claims,
wobei der Schritt des Vorsetzens ein statisches Stauchen mittels Aufbringen einer vorbestimmten Stauchkraft (Fv) umfasst.
Figure imgf000019_0001
wherein the presetting step comprises static swaging by application of a predetermined crush force (Fv).
Figure imgf000019_0001
7. Verfahren nach Anspruch 6, 7. The method according to claim 6,
wobei während des Vorsetzens die Stauchkraft (Fv) konstant gehalten wird. wherein during the presetting the compression force (Fv) is kept constant.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, 8. The method according to claim 6 or 7,
wobei während des Vorsetzens die Vorsetzlänge (Lv) konstant gehalten wird. wherein during Vorsetzens the Vorsetzlänge (Lv) is kept constant.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, 9. The method according to any one of the preceding claims,
wobei das Kunststoff-Matrixmaterial ein duroplastisches Polymer ist, beispielsweise ein Polyesterharz, Vinylesterharz, Polyurethanharz oder Epoxidharz, oderwobei das Kunststoff-Matrixmaterial ein thermoplastisches Polymer ist, beispielsweise ein Polyamid, Polypropylen, oder Polyethylen. wherein the plastic matrix material is a thermosetting polymer, for example a polyester resin, vinyl ester resin, polyurethane resin or epoxy resin, or wherein the plastic matrix material is a thermoplastic polymer, for example a polyamide, polypropylene, or polyethylene.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, 10. The method according to any one of the preceding claims,
wobei die Composite-Feder (1 ) einen Wickelkern (3) aufweist, um welchen herum wenigstens ein Faser-Roving (5, 7, 9) herumgewickelt ist. wherein the composite spring (1) has a winding core (3) around which at least one fiber roving (5, 7, 9) is wound around.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, 1 1. A method according to claim 10,
wobei der Wickelkern (3) aus einem nichtmetallischen Werkstoff ausgebildet ist. wherein the winding core (3) is formed of a non-metallic material.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , 12. The method according to claim 10 or 1 1,
wobei das wenigstens eine Faser-Roving (5, 7, 9) aus Glasfasern,the at least one fiber roving (5, 7, 9) made of glass fibers,
Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Sisalfasern, Hanffasern, Baumwollfasern oder Bambusfasern, oder aus einer Unterkombination von zwei oder mehr dieser Fasertypen ausgebildet ist. Carbon fibers, aramid fibers, basalt fibers, sisal fibers, hemp fibers, cotton fibers or bamboo fibers, or from a sub-combination of two or more of these types of fibers is formed.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, 13. The method according to any one of claims 10 to 12,
wobei die Composite-Feder (1 ) einen mehrschichtigen Aufbau um den Wickelkern herum aufweist, wobei mehrere Faser-Rovings (5, 7, 9) in zwei oder mehr als zwei Schichten übereinander angeordnet sind. wherein the composite spring (1) has a multilayer structure around the winding core, wherein a plurality of fiber rovings (5, 7, 9) are arranged in two or more than two layers one above the other.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, 14. The method according to any one of claims 10 to 13,
wobei während des Schritts des Herstellens der Composite-Feder (1 ) das Einbetten des Faserwerkstoffs in das Kunststoff-Matrixmaterial mittels Tränken des oder der Faser-Rovings mit einem Tränkmittel erfolgt.
Figure imgf000020_0001
wherein, during the step of producing the composite spring (1), embedding the fiber material into the plastic matrix material is accomplished by impregnating the fiber roving (s) with an impregnating agent.
Figure imgf000020_0001
15. Composite-Feder (1 ), insbesondere Composite-Schraubendruckfeder, welche aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher ein Kunststoff- Matrixmaterial und darin eingebettete Verstärkungsfasern aufweist, 15. Composite spring (1), in particular composite helical compression spring, which is formed from a fiber composite material which has a plastic matrix material and reinforcing fibers embedded therein,
dadurch gekennzeichnet, dass die Composite-Feder (1 ) unter Stauchung thermisch vorgesetzt ist. characterized in that the composite spring (1) is set thermally under compression.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4198037A (en) * 1976-12-28 1980-04-15 Miner Enterprises, Inc. Method of making polyester elastomer compression spring and resulting product
EP0637700A2 (en) 1993-08-04 1995-02-08 Toho Rayon Co., Ltd. Carbon fiber reinforced resin coil spring and method for manufacturing the same
DE102011081494A1 (en) * 2011-08-24 2013-02-28 Zf Friedrichshafen Ag Method for manufacturing bellow spring, involves circulating shaft transversely to longitudinal axis of bellow spring relative to tube, so that radially profiled rolling elements are incorporated into deformable fiber composite
US20140021666A1 (en) * 2012-07-18 2014-01-23 Jun Yoshioka Composite coil spring

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4198037A (en) * 1976-12-28 1980-04-15 Miner Enterprises, Inc. Method of making polyester elastomer compression spring and resulting product
EP0637700A2 (en) 1993-08-04 1995-02-08 Toho Rayon Co., Ltd. Carbon fiber reinforced resin coil spring and method for manufacturing the same
DE102011081494A1 (en) * 2011-08-24 2013-02-28 Zf Friedrichshafen Ag Method for manufacturing bellow spring, involves circulating shaft transversely to longitudinal axis of bellow spring relative to tube, so that radially profiled rolling elements are incorporated into deformable fiber composite
US20140021666A1 (en) * 2012-07-18 2014-01-23 Jun Yoshioka Composite coil spring

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JANG, D.; JANG, S.: "Development of a Lightweight CFRP Coil Spring", SAE TECHNICAL PAPER 2014-01-1057, 2014
SARDOU, M.; DARMOTTE, E.; ZUNINO, C.: "Light Weight, Low Cost, Composite Coil Springs are a Reality", SAE TECHNICAL PAPER 2005-01-1698
YAHYA KARA: "A Review: Fiber Reinforced Polymer Composite Helical Springs", J MATER SCI NANOTECHNOL, vol. 5, no. 1, 2017, pages 101

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