WO2020104605A1 - Gestaltung der enden von schraubenfedern - Google Patents

Gestaltung der enden von schraubenfedern

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WO2020104605A1
WO2020104605A1 PCT/EP2019/082125 EP2019082125W WO2020104605A1 WO 2020104605 A1 WO2020104605 A1 WO 2020104605A1 EP 2019082125 W EP2019082125 W EP 2019082125W WO 2020104605 A1 WO2020104605 A1 WO 2020104605A1
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WO
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spring
cross
spring wire
wire
coil spring
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Application number
PCT/EP2019/082125
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English (en)
French (fr)
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André KIESSLING
Jörn Kiele
Jens Werner
Dieter Lechner
Original Assignee
ThyssenKrupp Federn und Stabilisatoren GmbH
ThyssenKrupp Carbon Components GmbH
Thyssenkrupp Ag
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Publication date
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    • F16F1/36—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers
    • F16F1/366—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers made of fibre-reinforced plastics, i.e. characterised by their special construction from such materials
    • F16F1/3665—Wound springs
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    • B29C53/16—Straightening or flattening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C70/542—Placing or positioning the reinforcement in a covering or packaging element before or during moulding, e.g. drawing in a sleeve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16F1/042—Wound springs characterised by the cross-section of the wire
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
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    • B29C53/00—Shaping by bending, folding, twisting, straightening or flattening; Apparatus therefor
    • B29C53/80—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
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    • B29K2105/08—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts of continuous length, e.g. cords, rovings, mats, fabrics, strands or yarns
    • B29K2105/10—Cords, strands or rovings, e.g. oriented cords, strands or rovings
    • B29K2105/101—Oriented
    • B29K2105/105—Oriented uni directionally
    • B29K2105/106—Oriented uni directionally longitudinally

Definitions

  • the present application relates to a method for producing helical springs with specially shaped ends and the helical springs produced in this way.
  • Coil springs are understood to be springs which have a spring wire which extends in a helical manner from a first spring end to a second spring end.
  • the helical spring has a longitudinal axis around which the turns of the spring wire run.
  • the outside diameter of the helical spring is determined by the surface sections of the spring wire that are the most distant from this longitudinal axis.
  • the inside diameter due to the surface sections of the spring wire radially closest to the longitudinal axis.
  • the spring wires often have a constant cross section over the entire length. This is usually circular. However, elliptical cross sections or polygonal shapes are also known.
  • the axis of the spring wire (spring wire axis) runs in the helical windings mentioned around the longitudinal axis of the coil spring.
  • Coil springs are used in a variety of technical fields.
  • a particularly important area of application is vehicle construction.
  • the springs often serve as a shock-absorbing element in chassis.
  • the springs are often designed as steel springs. This enables a good spring effect with a limited size, but has the disadvantage that the springs are heavy.
  • the problem here is that the springs in fiber composite construction are to be used in the space provided for steel springs.
  • the base materials used for springs in fiber composite construction generally have lower stiffnesses than the isotropic metal alloys of steel springs.
  • the spring wires of the coil springs in fiber composite construction may therefore have to be made with a larger diameter. This reduces the available travel, while keeping the installation space constant. Therefore, in the case of helical springs in fiber composite construction, the individual spring turns - the so-called blocking - meet.
  • EP 2 461 066 A1 proposes to flatten the spring wire at the turns lying one above the other in the longitudinal direction of the spring. In this way, contact surfaces are formed on which the abutting turns lie in a defined manner.
  • a disadvantage of this design is that the cross section of the spring wire is reduced, and thus the load-bearing capacity and rigidity of the spring is reduced.
  • DE 44 06 826 B4 proposes a similar procedure.
  • a coil spring is used in a torsional vibration damper.
  • the longitudinal axis of the coil spring is curved. It is proposed to provide at least one flattened portion on the spring wire against which the adjacent turn can rest. Due to the curvature of the longitudinal axis of the helical spring, the contact surfaces of adjacent turns are not parallel to one another, but rather are inclined at an angle to one another. A reduction in the load capacity of the spring is also accepted here.
  • the invention relates to a helical spring which has a plurality of turns of a helical spring wire made of fiber-reinforced plastic material comprising a fiber reinforcement and a matrix material, the fiber reinforcement running over the entire length of the spring wire as a continuous fiber material with a constant number of fibers, the helical spring having two spring ends and has a transition area on at least one of the spring ends in a last turn of the coil spring and then an end area in the direction of the end of the spring wire, a cross-sectional area of the spring wire in the transition area changing from a cross-sectional area of the spring wire in a central part of the spring to a smaller cross-sectional area of the end area, by continuously increasing the fiber volume content in the spring wire in the course of the transition area.
  • Another object of the invention is a method for producing a coil spring, comprising at least the following steps:
  • Another object of the invention is a device for producing a helical spring containing at least one molding tool, the molding tool having a cavity in its interior, in which an end region to be deformed or an end region to be deformed and a transition region to be deformed, at least in these regions, unconsolidated Spring wire can be inserted, the cavity depicting the desired cross-sectional shape and / or cross-sectional area of the end region or of the end region and the transition region.
  • the coil spring according to the invention has a plurality of turns made of a helically wound spring wire made of fiber-reinforced plastic material.
  • the spring wire thus has a fiber reinforcement and a matrix material.
  • the fiber reinforcement of the plastic material runs as an endless fiber material with a constant number of fibers over the entire length of the spring wire.
  • Continuous fiber material is understood to mean a material whose fibers run essentially without interruption, without taking into account technologically caused breaks in individual filaments.
  • the fiber reinforcement runs inside the spring wire.
  • the helical spring has two spring ends and a transition region on at least one of the spring ends in the last turn of the helical spring and then an end region in the direction of the end of the spring wire.
  • the helical spring has at one or both ends a cross-sectional shape and / or cross-sectional area that deviates from the cross-sectional shape of the spring wire in the middle part, but the fiber reinforcement remains constant in its number of fibers.
  • the cross-sectional shape of the spring wire is preferably circular, at least in the middle part.
  • elliptical cross-sectional shapes with the alignment of the large semiaxis perpendicular or vertical to the longitudinal axis of the spring
  • rectangular shapes with rounded corners
  • the spring wire consists of one or more layers of braided or wound fiber layers. These can differ in fiber orientation (angle to the spring wire axis) or in the production method (e.g. braided, wound, taped, unidirectional individual rovings stored).
  • the spring wire has endless fibers that extend essentially without interruption over the entire length of the spring wire.
  • the use of unreinforced, short fiber reinforced and / or long fiber reinforced intermediate layers is also possible.
  • the spring optionally has a core.
  • a core This is preferably made of fiber composite material, in which the fibers run unidirectionally or slightly twisted parallel to the spring wire axis.
  • Further preferred embodiments provide a hollow core in which an axial cavity is surrounded by a fiber composite material or an unreinforced plastic sheath.
  • the fiber reinforcement of the spring wire is surrounded by a matrix material that has also penetrated between the reinforcing fibers.
  • the known fiber materials of lightweight fiber composite construction are preferably used as the material of the fiber reinforcement. These are, for example, glass fibers, carbon fibers, metal fibers, rock fibers, natural fibers etc.
  • Thermosetting materials preferably resin systems (epoxy resins, polyester resins, phenolic resins etc.) are used as matrix materials.
  • Thermoplastic materials are also conceivable if the requirements permit.
  • the spring is mainly in the unloaded state and is rarely loaded for a short time, or the thermoplastic material fulfills the necessary creep requirements.
  • the last turn of the spring wire of the helical spring is referred to as the spring end.
  • the transition area begins at the earliest half a turn before the start of the spring end.
  • the transition region preferably begins at the end of the spring, ie begins at the beginning of the last turn.
  • the transition region preferably comprises an eighth, particularly preferably a quarter turn, but can also include the entire last turn, so that the final cross-sectional shape of the spring wire is achieved with the end of the spring wire.
  • the transition region particularly preferably begins within the spring end, preferably half a turn before the end of the spring wire.
  • the transition area preferably comprises an eighth, particularly preferably a quarter turn, but can also comprise the entire available area of turn to the end of the spring wire, so that the final cross-sectional shape of the spring wire is achieved with the end of the spring wire.
  • the transition region can also begin in such a way that the final cross-sectional shape is just reached with the end of the spring wire without introducing cross-sectional changes that lead to mechanical impairment of the spring. For example, there should be no sharp-edged notches with fiber breaks in the transition area if this jeopardizes the functioning of the spring.
  • the helical spring according to the invention has at one or both ends a cross-sectional shape and / or cross-sectional area that deviates from the cross-sectional shape of the spring wire in the central part, but the fiber reinforcement remains constant in its number of fibers. This is preferably implemented using one of the embodiments described below.
  • the distribution of the fiber reinforcement and the matrix material in the spring ends is preferably modified in relation to the central part of the coil spring in such a way that the winding lying above the spring end has a greater distance than would be the case with the cross section unchanged and the pitch gradient of the spring wire axis unchanged and thus a longer deflection path arises.
  • the pitch of the helical spring denotes the component of the spatial gradient of the spring wire axis, which points in the direction of the spring longitudinal axis. When integrated, the distance between the spring wire axis and the respective axes of the adjacent turns results in the longitudinal direction of the spring.
  • the longitudinal axis of the spring can have the shape of a continuous straight line, in some cases linearly along the longitudinal direction of the spring, curvilinear (for example banana-shaped) or from a combination of the aforementioned options.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the content of the cross-sectional area of the spring wire is constant over the entire length of the spring.
  • the transition from the cross-sectional shape of the spring wire in the middle part of the spring takes place in a transition region into the cross section of the spring wire at the end region of the spring wire in a continuous manner.
  • this is achieved in that the fiber reinforcement and the matrix material in the spring wire have a different distribution than in the central part of the spring.
  • the spring wire axis moves accordingly to take into account the constant geometry of the spring supports.
  • the core also deforms from its cross-sectional shape in the middle part into the cross-sectional shape at the spring end.
  • the core preferably deforms mathematically similarly.
  • the spring core remains undeformed in the transition area.
  • the non-overlapping area of the cross-sectional area of the end area is at least a value of at least 2%, preferably at least 5% and particularly preferably at least 10% based on the total cross-sectional area of the end area .
  • the non-overlapping area of the cross-sectional area of the end area is a maximum of 70% based on the total cross-sectional area of the end area, preferably a maximum of 60%.
  • the cross-sectional shape of the spring wire in the transition area changes from a cross-sectional shape of the spring wire in a central part of the coil spring to a cross-sectional shape of the end area by continuously changing the distribution of the fiber reinforcement and the matrix material in the spring wire in the course of the transition area so that a turn lying above the spring end receives a larger spring deflection to the last turn than would be the case if the cross-sectional shape remained unchanged
  • a preferred embodiment of the invention provides that the cross-sectional area of the spring wire is smaller in the end region than in the central part of the spring.
  • the transition from the cross-sectional area of the spring wire in the middle part of the spring takes place in a transition region into the cross-sectional area of the spring wire at the end region of the spring wire in a continuous manner.
  • the fiber reinforcement material in the end region is identical to that in the middle part of the spring and in the transition region. This applies to the type of fiber, the number of fibers and all other properties that characterize the fiber reinforcement with the exception of the fiber density in the matrix material. All continuous fibers preferably run through the entire spring wire. in the The fibers are only closer together at the end and are surrounded by less matrix material.
  • the cross-sectional area in the end area is smaller than the cross-sectional area in the middle area.
  • the area of the cross-sectional area in the end region has a lower value by at least 2%, preferably at least 4% and particularly preferably at least 8%, based on the cross-sectional area in the middle part.
  • the reduction in the cross-sectional area is limited in such a way that a maximum fiber volume content cannot be technically exceeded.
  • a preferred embodiment of the invention is a spring end in which, in addition to a reduced cross-sectional area, the cross-sectional shape of the spring end is also changed compared to the central part of the spring.
  • a transition area is provided, which converts the cross-sectional shape and / or cross-sectional area from the central part of the spring in a smooth transition into the cross-sectional shape and area of the end area.
  • the cross-sectional shape remains at the end region of the spring wire, subsequent to the transition region, preferably over a quarter, particularly preferably over a third and very particularly preferably over two thirds of the last turn of the spring wire constant.
  • the wire cross section of the helical spring is preferably constant at least in the central region between the two spring ends. At this point, this means that both cross-sectional shape and cross-sectional area remain unchanged, apart from manufacturing-related influences (different winding tension, mold core tolerances, etc.).
  • the cross-sectional shape of the spring wire at the spring ends is preferably modified such that it changes from the cross-sectional shape in the middle part of the spring into a cross-sectional shape in the end region of the spring wire, which has a smaller diameter of the spring wire in the longitudinal direction of the spring or the fiber reinforcement and the matrix material are distributed such that the spring wire has a groove-like depression which increases the distance from the penultimate turn.
  • the area of the cross-sectional area of the spring wire in the middle part of the spring, in Transition area and also in the end area of the spring wire remains the same. Only the shape of the cross-sectional area changes.
  • the spring wire which preferably has a circular cross section in the middle part of the spring, changes into an elliptical cross section, the small semiaxis of the ellipse being aligned in the longitudinal direction of the spring.
  • Another embodiment provides a transition to a flattened cross section with a groove opposite the penultimate turn.
  • an irregular cross-section that has a displacement of the curvature of the originally round cross-section radially inwards or outwards.
  • an irregular cross-section of the end area of the spring wire which has a displacement of the curvature of the originally round cross-section radially inwards or outwards, is combined with a drawing in or opening of the end area of the spring wire.
  • the end region of the spring wire is drawn in when the curvature is directed towards the longitudinal axis of the spring and an opening occurs when the curvature is directed away from the longitudinal axis of the spring.
  • the cross-sectional area of the spring wire at the spring ends is preferably modified such that it merges from the cross-sectional area in the central part of the spring into a smaller cross-sectional area in the end region of the spring wire. It is characteristic of this embodiment of the spring ends according to the invention that in the transition area the cross-sectional area of the spring wire in the middle part of the spring, which has a first area, merges into a cross-sectional area in the end area of the spring wire, which has a second area, which is smaller than the first area.
  • the cross-sectional shape preferably remains unchanged, that is, in a mathematical sense, geometrically similar.
  • a cross-sectional area in the middle part, a cross-sectional area in the transition area and a cross-sectional area in the end area are geometrically similar to one another in the mathematical sense. This is the case if the cross-sectional areas can be converted into one another by a geometric similarity mapping.
  • the spring wire thus has a circular cross section in the middle part, in the transition area and in the end area. Only the area of the cross-sectional area changes.
  • the fiber density (fiber volume content) thus increases from the middle part through the transition area into the end area.
  • the end region then has a higher fiber density (fiber volume content) than the middle part and the transition region.
  • the value of the fiber volume content of the end region is, for example, 10% above the value of the fiber volume content from the middle part. However, it can also assume other differences with a value greater than zero and the fiber volume content of the end region can be increased to just below the theoretical maximum of 80%. Due to the reduced cross-sectional area of the spring wire, there is an increased spring deflection in the end region of the spring.
  • a preferred embodiment of the invention is a combination of the aforementioned embodiments.
  • the cross-sectional shape and also the cross-sectional area change from the central part of the spring via the transition section to the end region.
  • the cross-sectional area decreases by increasing the fiber volume content of the spring wire, i.e. when the matrix material content decreases, the fiber reinforcement material extends without interruption from the middle part of the spring through the transition region into the end region. Only less matrix material is used, while the distribution of the fiber reinforcement material is changed. Due to the reduced cross-sectional area of the spring wire, there is an increased spring deflection in the end region of the spring.
  • the cross-sectional shape is also adapted so that the spring deflection that arises is further increased analogously to the aforementioned embodiment.
  • all of the embodiments can be combined with one another, in particular combined with a retraction or opening of the end region of the spring wire.
  • the spring wire is completely or partially surrounded by a sheath.
  • This can be arranged releasably or non-releasably on the surface of the consolidated spring wire.
  • the shell is preferably made of an elastomer (e.g. silicone), thermoplastic elastomer (e.g. TPU (thermoplastic polyurethane)) or a thermoplastic material (e.g. PA (polyamide) or Teflon).
  • the shell can be part of the Manufacturing process are formed on the spring wire or subsequently applied to protect its surface.
  • the load capacity of the spring is essentially determined by the reinforcing fibers, and in the coil spring according to the invention in all embodiments only the distribution of the fibers and the matrix material and not the continuous course or length or number of fibers are changed, the load capacity of the spring remains above that entire length essentially constant.
  • the embodiments of the coil spring differ in the cross-sectional shape of the two spring ends and / or in the cross-sectional area of the two spring ends. So that both spring ends are deformed relative to the spring wire in the middle part, but different.
  • No. 4,434,121 B proposes winding the fiber reinforcement impregnated with resin into the helical circumferential groove of a cylindrical mandrel and then surrounding it with a shape which has a corresponding groove. Additional resin of the matrix material should be passed through the groove to fill it. The mold and mandrel should be heated to harden the resin. It is envisaged that the matrix material is only heated to below the glass transition temperature and the spring ends are heated again after being cut to length, and drawn in or flattened into the shape of a loop.
  • DE1020121 12937A1 proposes to produce a spring wire by reshaping a laminate strand of fiber reinforcement material, which is impregnated with curable matrix material, into a spring geometry. Before the laminate strand is reshaped, a strand-shaped intermediate product is formed by applying a moldable protective sheath that surrounds the laminate strand in a continuous application process.
  • the spring ends can optionally be provided with protective caps, which can also be part of the finished spring after consolidation.
  • the process provides that the spring wire is wound onto a cylindrical mandrel in the unconsolidated state.
  • This mandrel optionally has a helical shape the groove running into the core, in which the spring wire is inserted.
  • the fiber reinforcement of the spring wire is dry or already impregnated with resin.
  • An outer shape is optionally provided, which surrounds the mandrel with the spring wire inserted into the groove.
  • the mold core and / or the mold can be heated. If the fiber reinforcement of the spring wire is not yet or not sufficiently saturated with resin, this is now carried out by introducing resin into the groove.
  • the resin of the spring wire can now be fully or partially cured by heating the mold or the mold core or both.
  • the cross-sectional shape and / or the cross-sectional area of the spring ends are adjusted before curing.
  • a special shaping tool of the spring ends is preferably provided, which brings the transition area and the end of the spring wire into the desired shape and only then hardens (heating). With a corresponding shape of the molding tool, this leads to a change in the cross-sectional shape and / or to a reduction in the cross-sectional area while maintaining all fiber courses from the central part of the spring.
  • the change in the cross-sectional area, or more precisely the content of the cross-sectional area, takes place in that unconsolidated matrix material is pressed out of the reinforcing fiber material by the shape or by a special shaping tool which acts on the ends of the unconsolidated spring wire.
  • the special mold is preferably part of the mold core and / or the mold surrounding it.
  • this procedure is less suitable if the cross-sectional shape of the end of the spring wire includes an undercut configuration within the shape or the core.
  • Another preferred procedure is particularly suitable for producing the first embodiment. It envisages covering the fiber reinforcement of the spring wire with a hose. Matrix material is then introduced into this tube in an unconsolidated state. Subsequently, the matrix material is crosslinked (for example by heating) to above the gel point of the matrix material. Now the hose can be removed or remain on the preformed spring wire and then become part of the spring. The spring wire can then be heated above the glass transition temperature and brought into the desired screw shape. This is preferably done by winding onto a heatable mold core. The spring ends can also be formed in this step. Suitable molding tools, e.g. Clamping devices can be used. The matrix material is fully cured by further heating.
  • Another alternative procedure involves cutting the spring wire, more precisely the fiber reinforcement of the spring wire, to length in the unconsolidated state.
  • the fiber reinforcement of the spring wire is then impregnated with resin and clamped at the ends in clamping devices.
  • clamping devices optionally act as special molding tools to reduce the cross-sectional area in the end region.
  • the winding is then carried out on a cylindrical mandrel, which optionally has a groove for guiding the spring wire.
  • the mandrel with wound spring wire is inserted into a mold that can also be heated.
  • the clamping devices include at least the transition area of the spring wire and the spring end. By heating the mandrel and the clamping devices and optionally the mold, the matrix material is hardened and the coil spring is consolidated. Finally, the clamping devices and mold core and optionally also the mold are removed.
  • the clamping devices can be made in two parts or in several parts.
  • the fiber reinforcement of the spring wire impregnated with resin is arranged in a flexible sheath in the unconsolidated state.
  • This consists, for example, of a thermoplastic material or silicone.
  • the unconsolidated spring wire is then applied to a heatable mandrel with an optional groove and optional outer shape using one of the aforementioned methods and is consolidated or partially consolidated as shown above.
  • the design of the spring ends can likewise take place according to one of the procedures described above.
  • the cover can remain on the spring as surface protection or, if it does not form a connection with the matrix material (for example Teflon cover or silicone cover), can be removed.
  • the sleeve can optionally be separated and then removed.
  • Further preferred procedures provide multi-part covers, the cover having a constant cross section in the middle part and adapted covers being possible for the transition and end regions. These can, for example, be conical in the direction of the ends in order to follow a reduction in the cross-sectional area of the spring wire in the end region.
  • shrink tubing can be used as a covering for the transition and end areas.
  • a device according to the invention for producing a helical spring according to the invention contains at least one molding tool which has a cavity in its interior, in which an end region to be deformed or an end region to be deformed and a transition region to be deformed of the spring wire which is at least unconsolidated in these regions, the cavity being insertable depicts the desired cross-sectional shape and / or cross-sectional area of the end region or of the end region and the transition region.
  • the end region of the spring wire or the end region and the transition region of the spring wire are thus reshaped as desired and as described above.
  • the molding tool preferably has a temperature control device for heating or cooling the molding tool, so that the material of the spring wire inside the molding tool can be heated and, if necessary, consolidated and / or cooled again.
  • the molding tool preferably has a two-part or multi-part design for easier insertion of the spring wire regions to be formed into the cavity and for easier removal of the deformed spring wire regions.
  • the invention is not limited to the illustrated and described embodiments, but also encompasses all embodiments having the same effect in the sense of the invention. Furthermore, the invention is also not limited to the combinations of features specifically described, but can also be defined by any other combination of certain features of all of the individual features disclosed overall if the individual features are not mutually exclusive or a specific combination of individual features is not explicitly excluded.
  • Fig. 1 a shows schematically a sectional view of an embodiment approximately 100 of the spring according to the invention.
  • One end of the spring has a transition region B and an end region E.
  • the other end of the spring remains undeformed with the same support geometry.
  • FIG. 1 b to 1 d schematically show the internal structure of various embodiments of the spring wire forming the spring.
  • a sheath 11 for example made of silicone, envelops a plurality of fiber layers 12 which are wound or braided around a core 13.
  • the core 13 also consists of fiber material, in which the fibers are arranged unidirectionally parallel next to one another or are slightly twisted together. At least in the consolidated state, matrix material is present in the area of the fiber layers 12 and the core 13 in addition to the fibers. The matrix material can also be contained in the spring wire 10 in the unconsolidated state.
  • the core can also consist only of plastic, for example matrix material, and have no fibers.
  • the shell 1 1 is only optionally available.
  • FIG. 1 c shows an embodiment 10 ′ of the spring wire in which there is no sheath.
  • there is no core but there is a cavity 13 'in the interior of the spring wire.
  • the fiber layers 12 are, for example, in the form of a braided tube.
  • 1 d shows a further embodiment 10 ′′ of the spring wire, in which the fiber layers 12 are applied to a tube core 14, which has the shape of a hollow, flexible tube or tube and is made of plastic, and - again optionally - with a sheath 11 externally completed.
  • the spring wire can be designed in accordance with each of the embodiments listed here.
  • 2 schematically shows a further embodiment 100 'of the spring according to the invention. Here both end areas are deformed and realized as end cross section A1.
  • the transition area B leads from the cross-sectional area AO into the elliptical end area A1.
  • Fig. 3 shows schematically a spring end of a construction from the prior art. Here there is a distance q1 between the penultimate turn and the last turn.
  • the spring wires have a fiber reinforcement 15, 25 which is enclosed in matrix material 16, 26.
  • the concrete arrangement of the fiber reinforcement in the fiber layers described with reference to FIGS. 1 b to 1 d and possibly in a core described with reference to FIGS. 1 b to 1 d has been neglected and not shown here for better illustration of the deformation.
  • the spring wires are each surrounded by a sheath 1 1, 21.
  • the fiber reinforcement 25 merges with the fiber reinforcement 15 in the transition region (not shown).
  • Fig. 4a the end region of the last turn 1 has been brought into an elliptical cross-sectional shape, the short axis of the ellipse, i.e. the minor axis lies parallel to the longitudinal axis of the spring.
  • the distance q2 to the penultimate turn 2 is therefore greater than if the circular cross section had been maintained.
  • the end region of the last turn 1 has been brought into a cross-sectional shape in which a part of the material of the spring wire is displaced in the direction of the longitudinal axis of the spring.
  • the centroid of the cross-sectional area is thus shifted radially inwards.
  • the distance q3 to the penultimate turn 2 is greater than if the circular cross section had been retained, since a lower height of the spring wire was achieved in the central region of the cross section.
  • the end region of the last turn 1 has been brought into a cross-sectional shape in which a part of the material of the spring wire is displaced in the direction of the longitudinal axis of the spring and a part is displaced radially away from it.
  • a groove-like depression is formed in the spring wire, which increases the distance q4 to the penultimate turn 2.
  • the end region of the last turn 1 has been brought into a cross-sectional shape in which a part of the material of the spring wire is displaced in the direction of the longitudinal axis of the spring and a part is displaced radially away from it.
  • a groove-like depression is formed in the spring wire, which increases the distance q5 to the penultimate turn 2.
  • the underside of the spring wire has been flattened further, so that a wider contact surface of the spring wire is achieved in the spring seat.
  • the end region of the last turn 1 has been brought into a cross-sectional shape in which a part of the material of the spring wire is displaced radially away from the longitudinal axis of the spring.
  • the centroid of the cross-sectional area is thus shifted radially outwards.
  • the distance q6 to the penultimate turn 2 is greater than if the circular cross section had been maintained, since a lower height of the spring wire was achieved in the central region of the cross section of the spring wire.
  • FIG. 5a shows a spring construction analogous to that of FIG. 4b.
  • the spring end is drawn in opposite to the penultimate turn (dashed line for orientation).
  • the distance q7 is even greater than the distance q3 from FIG. 4b.
  • FIG. 5b shows a spring construction analogous to that of FIG. 4e. Here, however, the end of the spring is shown opposite the penultimate turn (dashed line for orientation). The distance q8 is even greater than the distance q6 from FIG. 4e.
  • FIG. 5c shows a further spring construction.
  • the cross-sectional shape of the spring end is deformed into an ellipse, but now the long axis of the ellipse, ie the main axis, is arranged parallel to the longitudinal axis of the spring.
  • the end of the spring is drawn in so far towards the middle of the spring that the end of the spring dips into the inside of the spring when loaded.
  • a spring wire is shown analogous to the design according to Fig.
  • the spring wire contains a core 13, 23 with fiber reinforcement, several fiber layers 12, 22 arranged around it and an outer sheath 11, 21, the with one of the beginning reference symbols refers to the last turn 1 and the two reference symbols beginning to the penultimate turn 2.
  • the spring wire in the last turn 1 the spring wire not only deformed externally, but also the core 13 has deformed. However, this is not necessarily the case: there may also be deformations of the spring end in which the core is not deformed.
  • the spring wire has a circular cross section.
  • the area of this circular cross-section is reduced from the penultimate turn 2 to the end region of the last turn 1. This can be recognized from the fact that the diameter d2 of the spring wire of the penultimate turn 2 is reduced to a diameter d1 of the last turn 1.
  • the distance q10 between the last turn and the penultimate turn of the spring wire is increased due to the reduced cross section of the end region of the spring.
  • the number of reinforcing fibers 15, 25 is identical in the penultimate turn 2 and the last turn 1.
  • the density of the fibers 15 is increased and the matrix material 16 receives a smaller proportion of the cross-sectional area.
  • the fiber volume content is thus increased in the end region of the spring.
  • Fig. 7 shows schematically sections of the last two turns of a spring construction according to the invention according to an embodiment of the invention.
  • the specific arrangement of the fiber reinforcement in the fiber layers described with reference to FIGS. 1 b to 1 d and possibly in a core described with reference to FIGS. 1 b to 1 d has been neglected and not shown for better illustration of the deformation.
  • This embodiment combines the adjustment of the cross-sectional shape according to the embodiment with the reduction of the cross-sectional area while maintaining the fiber reinforcement material according to the further embodiment.
  • the cross-sectional shape is changed compared to the cross-sectional shape in the middle part, and the cross-sectional area is reduced compared to the cross-sectional area in the middle part.
  • the distance q1 1 between the last turn and the penultimate turn of the spring wire is increased due to the changed shape and the reduced cross section of the end region of the spring.
  • FIGS. 8a to 10e serve to illustrate the shaping tools with which the spring ends are deformed and represent various embodiments of these shaping tools, partly in connection with the spring wire to be deformed.
  • FIGS. 8a to 8e show an example in which a spring 100 is deformed in the region of one of its spring ends by a first molding tool 210.
  • the first mold consists of an upper part 21 1 and a lower part 212, the upper part 21 1 enclosing an upper part of the last turn of the spring 100 and the lower part 212 a lower part of the last turn of the spring 100.
  • the upper part of the last turn is directed outwards, away from the other turns of the spring 100, while the lower part of the last turn faces the penultimate turn.
  • the upper part 21 1 and the lower part 212 each have a recess 213, 214, in which the end region E and / or the transition region B of the spring 100 are inserted.
  • the depressions 213, 214 thus form a cavity in the closed state of the molding tool 210, into which the end and / or transition region E or B of the spring wire can be inserted.
  • the spring end is already deformed in FIGS. 8b and 8c and has at its end a cross-sectional area which has a different shape from the cross-sectional area in the middle part of the spring.
  • FIG. 8b shows a lower part A1 1 of the cross-sectional area of the end region of the spring
  • FIG. 8c shows an upper part A12 of the cross-sectional area of the end region of the spring.
  • the first mold 210 can be easily removed from the deformed spring end due to its horizontal division into the upper part 21 1 and the lower part 212.
  • FIGS. 9a to 9e show an example in which a spring 100 is deformed in the region of one of its spring ends by a second molding tool 220.
  • the second mold consists of an outer part 221 and an inner part 222, the outer part 221 enclosing an outer part of the last turn of the spring 100 and the inner part 222 surrounding an inner part of the last turn of the spring 100.
  • the outer part of the last turn is directed outwards, away from the inside of the spring 100, while the inner part of the last turn faces the inside of the spring and the longitudinal axis of the spring.
  • the outer part 221 and the inner part 222 each consist of two parts 221 a, 221 b and 222a, 222b, respectively, the part labeled “a” receiving the end region of the spring, while the part labeled “b” each on the central part adjacent to the spring.
  • the vertical division is advantageous for easy removal from the spring 100.
  • the outer part 221 and the inner part 222 each have a recess 223, 224 into which the end region E and / or the transition region B of the spring 100 is inserted are.
  • the spring end is already deformed and has at its end a cross-sectional area that has a different shape from the cross-sectional area in the central part of the spring.
  • FIGS. 10a to 10e show a further example in which a spring 100 is deformed in the region of one of its spring ends by a third molding tool 230.
  • the molding tool similar to the molding tool in FIGS.
  • the 9a to 9e consists of an outer part 231 and an inner part 232, the outer part 231 an outer part of the last turn of the spring 100 and the inner part 232 an inner part of the last turn of the spring Enclose 100.
  • the outer part 231 and the inner part 232 each consist of two parts 231 a, 231 b and 232a, 232b, respectively, the part labeled “a” receiving the end region of the spring, while the part labeled “b” each on the central part adjacent to the spring.
  • the outer part 231 and the inner part 232 each have a recess 233, 234 into which the end region E and / or the transition region B of the spring 100 are inserted.
  • a cavity 235 ie a cavity, is formed in at least the outer part 231 or at least the inner part 232 and is connected to the recess 233 or 234 via a channel with a small diameter.
  • 10d shows the cavity 235 for the outer part 231.
  • the molding tool 230 serves to reduce the cross-sectional area of the end region of the spring compared to the cross-sectional area in the middle part of the spring. This can be seen, for example, in FIGS. 10b and 10d at the different diameters of the spring 100 or the recess 233 at the beginning of the molding tool 230, ie at the border to the middle part of the spring, and at the end of the spring.
  • 10b shows the inner part A13 of the cross-sectional area in the end region of the spring. The excess matrix material emerging due to the reduction in the cross-sectional area passes through the channel into the cavity 235 and is collected there.
  • the spring has a length h of 180 mm.
  • the diameter X is 75mm.
  • the spring wire has a circular cross-section of the area AO with a diameter of 16 mm in the middle of the spring.
  • the spring wire consists of carbon fibers, which are oriented unidirectionally in the core following the spring wire axis F.
  • the core is surrounded by layers of carbon fiber.
  • the layers of carbon fibers are surrounded by a tube, so that the soaked fibers are enveloped during the manufacturing process.
  • the distance q of the turns from each other is 15mm.
  • the cross-sectional area remains undeformed and at the other, second spring end, the upper in the figure, the circular cross-sectional area of the spring wire over the length of the transition region B, which here is a quarter turn into the elliptical Cross-sectional area of the end region E transferred with the area A1.
  • This is done by placing the fibers in a suitable mold during manufacture The transition and end areas are formed, pressed into the desired shape. No fibers are interrupted or damaged. The transition area also does not result in any abrupt changes in direction of the fibers, which could otherwise lead to tensions in the fiber reinforcement and potential break points.
  • the cross-sectional area A1 of the end region E is equal to the cross-sectional area AO in the middle part of the spring.
  • the end region of the spring wire has an elliptical cross-sectional area in which the small semiaxis of the ellipse runs parallel to the longitudinal axis L of the spring.
  • the distance qx- of the last turn to the penultimate turn at the second spring end is greater than the distance qy of the undeformed last turn to the penultimate turn at the first spring end.
  • the distance qx here is 12mm, while the distance qy is 7mm.
  • the distance qx may be less than, equal to or greater than the distance q of the turns in the central part of the spring, but is always greater than the distance qy.
  • the data of the spring are identical to that of FIG. 1.
  • the transition area B extends over half a turn and the end area of the spring wire is only reached at the end thereof.
  • the cross-sectional area A1 reached at the end of the spring wire is again as large as the cross-sectional area AO in the middle part of the spring.

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schraubenfeder (100, 100'), die mehrere Windungen aus einem helixartig gewundenen Federdraht (10, 10', 10'') aus faserverstärktem Kunststoffmaterial aufweisend eine Faserverstärkung und ein Matrixmaterial, aufweist, wobei die Faserverstärkung über die gesamte Länge des Federdrahtes (10, 10', 10'') als Endlosfasermaterial mit konstanter Faseranzahl verläuft, wobei die Schraubenfeder zwei Federenden und an mindestens einem der Federenden in einer letzten Windung (1) der Schraubenfeder (100, 100') einen Übergangsbereich (B) und daran in Richtung des Endes des Federdrahtes anschließend einen Endbereich (E) aufweist wobei eine Querschnittsfläche des Federdrahtes (10, 10', 10'') im Übergangsbereich (B) von einer Querschnittsfläche (A0) des Federdrahtes in einem Mittelteil der Feder in eine geringere Querschnittsfläche (A1) des Endbereiches (E) übergeht, indem der Faservolumengehalt im Federdraht (10, 10', 10'') im Verlauf des Übergangsbereichs (B) kontinuierlich erhöht wird.

Description

Gestaltung der Enden von Schraubenfedern
Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Verfahren zur Herstellung von Schraubenfedern mit speziell ausgeformten Enden sowie die so erzeugten Schraubenfedern.
Unter Schraubenfedern werden Federn verstanden, die einen Federdraht aufweisen, der sich helixartig gewunden von einem ersten Federende zu einem zweiten Federende erstreckt. Die Schraubenfeder weist dabei eine Längsachse auf, um die herum die Windungen des Federdrahtes verlaufen. Der Außendurchmesser der Schraubenfeder wird durch die von dieser Längsachse radial am weitesten entfernten Oberflächenabschnitte des Federdrahtes bestimmt. Der Innendurchmesser durch die radial am nächsten zur Längsachse befindlichen Oberflächenabschnitte des Federdrahtes. Die Federdrähte weisen dabei häufig einen über die gesamte Länge konstanten Querschnitt auf. Dieser ist meist kreisrund. Es sind jedoch auch elliptische Querschnitte oder polygonale Formen bekannt.
Die Achse des Federdrahtes (Federdrahtachse) verläuft in den genannten helixartigen Windungen um die Längsachse der Schraubenfeder herum.
Schraubenfedern werden in einer Vielzahl von technischen Feldern angewandt. Ein besonders bedeutsames Anwendungsgebiet ist der Fahrzeugbau. Hier dienen die Federn häufig als stoßminderndes Element in Fahrgestellen. In diesem Anwendungsgebiet sind die Federn häufig als Stahlfedern ausgeführt. Dies ermöglicht eine gute Federwirkung bei begrenzter Baugröße, bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass die Federn ein hohes Gewicht aufweisen. Davon ausgehend haben sich die Bestrebungen herausgebildet, Stahlfedern durch Federn in Faserverbundbauweise zu ersetzen. Problematisch ist dabei, dass die Federn in Faserverbundbauweise in den Bauraum, der für Stahlfedern vorgesehen ist, eingesetzt werden sollen. Die für Federn in Faserverbundbauweise eingesetzten Grundwerkstoffe verfügen im Allgemeinen über geringere Steifigkeiten als die isotropen Metalllegierungen von Stahlfedern. Die Federdrähte der Schraubenfedern in Faserverbundbauweise sind daher unter Umständen mit größerem Durchmesser auszuführen. Dies reduziert, bei konstant gehaltenem Bauraum, den zur Verfügung stehenden Federweg. Daher kann es bei Schraubenfedern in Faserverbundbauweise eher zu einem Aufeinandertreffen der einzelnen Federwindungen - dem sogenannten Blocken - kommen.
Es gibt nunmehr eine Reihe von Bemühungen, die Federn möglichst kompakt auszuführen und dabei das Problem des Blockens, dass auch bei Schraubenfedern aus anderen Materialien bekannt ist, zu unterbinden bzw. ohne Undefinierte Kraftverteilungen, wie sie bei dem Aufeinandertreffen von Federwindungen aus Federdraht mit kreisförmigem Querschnitt zu erwarten sind, ablaufen zu lassen.
Die EP 2 461 066 A1 schlägt vor, den Federdraht an den, in Längsrichtung der Feder übereinander liegenden Windungen, abzuflachen. So werden Kontaktflächen ausgebildet, auf denen die aneinanderstoßenden Windungen definiert aufliegen. Nachteilig bei dieser Gestaltung ist, dass der Querschnitt des Federdrahtes reduziert und damit die Tragfähigkeit und Steifigkeit der Feder vermindert wird.
Ein ähnliches Vorgehen schlägt die DE 44 06 826 B4 vor. Hier wird eine Schraubenfeder in einem Drehschwingungsdämpfer eingesetzt. Die Längsachse der Schraubenfeder ist dabei gekrümmt. Es wird vorgeschlagen, an dem Federdraht mindestens eine Abflachung vorzusehen, an der die nebenliegende Windung aufliegen kann. Aufgrund der Krümmung der Längsachse der Schraubenfeder sind die Auflageflächen benachbarter Windungen nicht parallel zueinander, sondern unter einem Winkel gegeneinander geneigt. Auch hier wird eine Reduzierung der Tragkraft der Feder in Kauf genommen.
Einen anderen Ansatz zur Verlängerung des zur Verfügung stehenden Federweges besteht darin, die Windungsradii, also den Abstand der Achse des Federdrahtes in einer Windung von der Längsachse, zu variieren. Dies führt jedoch zu einer ungleichmäßigen Beanspruchung der Feder über ihre Länge. Ein Versagen ist so wahrscheinlicher.
Beispielhaft sei für dieses Vorgehen die DE 10 2015 221 126 A1 genannt. Diese Schraubenfeder soll besser gegen seitliche Kräfte stabilisiert sein. Dazu sind die Federenden in speziellen Federsitzen angeordnet, die an den Enden der Feder in diese eingreifen. Die letzte Windung der Schraubenfeder, die auf dem Federsitz aufliegt, ist dabei verengt. Dies verhindert ein seitliches Verrutschen des Federendes im Sitz, ermöglicht jedoch dem Federmittelteil eine seitliche Bewegung.
Die DE 10 2013 208 270 A1 hat ebenfalls eine Lösung für das Federende einer Schraubenfeder zum Gegenstand. Bekannte Schraubenfedern weisen angeschliffene Enden des Federdrahtes auf. Das Anschleifen erfolgt dabei vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse der Feder (Federlängsachse). Der Federdraht liegt dann mit dem angeschliffenen Bereich auf dem Federsitz auf. Dabei bleibt die Steigung der Windungen des Federdrahtes auch in diesem Bereich (im entspannten Zustand) gleich der des Mittelteils der Feder. Der kraftaufnehmende Querschnitt des Federdrahtes wird dabei jedoch immer geringer, so dass ein Versagen in diesem Bereich wahrscheinlich wird. Die DE 10 2013 208 270 A1 versucht dem entgegenzuwirken, indem das angeschliffene Ende elliptisch eingezogen, also in Richtung auf die Längsachse der Feder verformt ist. Ein Anschleifen ist für Federn aus Faserverbundmaterial jedoch ungeeignet, da eine Beschädigung der Faserverstärkung, wie sie beim Anschleifen der Federenden nicht zu vermeiden wäre, die Tragfähigkeit der gesamten Feder schädigen würde. Der angeschliffene Bereich besitzt durch die unterbrochene Faserführung über abgeminderte mechanische Eigenschaften und abgeminderte Widerstandseigenschaften gegenüber korrosiven Einflüssen.
Der Stand der Technik bietet eine Vielzahl von Lösungen für Stahlfedern. Nur die wenigsten sind jedoch für Federn aus Faserverbundmaterial geeignet.
Es stellt sich somit die Aufgabe, eine Möglichkeit vorzuschlagen, wie Schraubenfedern aus Faserverbundmaterial, besonders in den Endbereichen, vorteilhaft so gestaltet werden können, dass ein möglichst großer Federweg unter Beibehaltung einer möglichst gleichmäßigen Steifigkeit über die gesamte Federlänge erreicht wird. Darüber hinaus sind ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schraubenfeder sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Schraubenfeder aufzuzeigen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Schraubenfeder nach Anspruch 1 gelöst. Herstellungsverfahren sind in den Ansprüchen 13 bis 15 offenbart. Eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schraubenfeder ist in den Ansprüchen 16 bis 18 gegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Vorgehensweisen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen dargestellt.
Gegenstand der Erfindung ist eine Schraubenfeder, die mehrere Windungen aus einem helixartig gewundenen Federdraht aus faserverstärktem Kunststoff material aufweisend eine Faserverstärkung und ein Matrixmaterial, aufweist, wobei die Faserverstärkung über die gesamte Länge des Federdrahtes als Endlosfasermaterial mit konstanter Faseranzahl verläuft, wobei die Schraubenfeder zwei Federenden und an mindestens einem der Federenden in einer letzten Windung der Schraubenfeder einen Übergangsbereich und daran in Richtung des Endes des Federdrahtes anschließend einen Endbereich aufweist wobei eine Querschnittsfläche des Federdrahtes im Übergangsbereich von einer Querschnittsfläche des Federdrahtes in einem Mittelteil der Feder in eine geringere Querschnittsfläche des Endbereiches übergeht, indem der Faservolumengehalt im Federdraht im Verlauf des Übergangsbereichs kontinuierlich erhöht wird. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder, aufweisend mindestens die folgenden Schritte:
Bereitstellen des Federdrahtes,
Winden des Federdrahtes in die angestrebte Federform,
Weiterverarbeitung des gewundenen Federdrahtes im unkonsolidierten oder teilkonsolidierten Zustand, wobei der Federdraht im unkonsolidierten oder im erneut erweichten Zustand an den Endstücken in eine andere Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche gebracht wird, als der Federdraht zwischen den Endstücken aufweist, vollständige Konsolidierung des faserverstärkten Kunststoffmaterials des Federdrahtes nach der Weiterverarbeitung.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schraubenfeder, enthaltend mindestens ein Formwerkzeug, wobei das Formwerkzeug in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist, in welchen ein zu verformender Endbereich oder ein zu verformender Endbereich und ein zu verformender Übergangsbereich des zumindestens in diesen Bereichen unkonsolidierten Federdrahtes einlegbar ist, wobei der Hohlraum die angestrebte Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche des Endbereiches oder des Endbereiches und des Übergangsbereiches abbildet.
Die erfindungsgemäße Schraubenfeder weist mehrere Windungen aus einem helixartig gewundenen Federdraht aus faserverstärktem Kunststoff material auf. Der Federdraht weist somit eine Faserverstärkung und ein Matrixmaterial auf. Die Faserverstärkung des Kunststoffmaterials verläuft als Endlosfasermaterial mit konstanter Faseranzahl über die gesamte Länge des Federdrahtes. Unter„Endlosfasermaterial“ wird ein Material verstanden, dessen Fasern im Wesentlichen unterbrechungsfrei verlaufen, wobei technologisch bedingte Brüche einzelner Filamente unberücksichtigt bleiben. Die Faserverstärkung verläuft dabei im Inneren des Federdrahtes.
Die Schraubenfeder weist zwei Federenden sowie an mindestens einem der Federenden in der letzten Windung der Schraubenfeder einen Übergangsbereich und daran in Richtung des Endes des Federdrahtes anschließend einen Endbereich auf. Erfindungsgemäß weist die Schraubenfeder an einem oder an beiden Enden eine von der Querschnittsform des Federdrahtes im Mittelteil abweichende Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche auf, wobei jedoch die Faserverstärkung in ihrer Faserzahl konstant bleibt.
Bevorzugt ist die Querschnittsform des Federdrahtes zumindest im Mittelteil kreisförmig. Es sind jedoch auch elliptische Querschnittsformen (mit der Ausrichtung der großen Halbachse senkrecht oder vertikal zur Längsachse der Feder) oder rechteckige Formen (mit abgerundeten Ecken) möglich.
Der Federdraht besteht aus einer oder mehreren Lagen aus geflochtenen oder gewickelten Faserlagen. Diese können sich in Faserorientierung (Winkel zur Federdrahtachse) oder in der Herstellungsweise (bspw. geflochten, gewickelt, tapegelegt, unidirektionale Einzelrovings abgelegt) unterscheiden. Der Federdraht weist dabei Endlosfasern auf, die sich im Wesentlichen unterbrechungsfrei über die gesamte Länge des Federdrahtes erstrecken. Optional ist auch der Einsatz von unverstärkten, kurzfaserverstärkten und/oder langfaserverstärkten Zwischenlagen möglich.
Die Feder weist optional einen Kern auf. Dieser besteht vorzugsweise aus Faserverbundmaterial, bei dem die Fasern unidirektional oder leicht verdrillt parallel zur Federdrahtachse verlaufen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sehen einen hohlen Kern vor, bei dem ein axialer Hohlraum von einem Faserverbundmaterial oder einer unverstärkten Kunststoffumhüllung umgeben ist. Weiterhin bevorzugt ist ein Kern, der vollständig aus Kunststoff besteht oder ein Kern, der ausschließlich durch einen Hohlraum gebildet wird. Das Kernmaterial kann ausschmelzbar sein.
Die Faserverstärkung des Federdrahtes ist von einem Matrixmaterial umgeben, dass auch zwischen die Verstärkungsfasern eingedrungen ist. Als Material der Faserverstärkung kommen vorzugsweise die bekannten Fasermaterialien des Faserverbundleichtbaus zum Einsatz. Dies sind beispielsweise Glasfasern, Kohlenstoffasern, Metallfasern, Gesteinsfasern, Naturfasern etc. Als Matrixmaterialien werden duroplastische Materialien, vorzugsweise Harzsysteme (Epoxidharze, Polyesterharze, Phenolharze etc.) eingesetzt. Es sind auch thermoplastische Kunststoffe denkbar, wenn es die Anforderungen zulassen. Beispielsweise befindet sich die Feder hauptsächlich im unbelasteten Zustand und wird nur selten für eine kurze Zeit belastet oder der thermoplastische Kunststoff erfüllt die notwendigen Kriechanforderungen. Als Federende wird die letzte Windung des Federdrahtes der Schraubenfeder bezeichnet. Der Übergangsbereich beginnt frühestens eine halbe Windung vor dem Beginn des Federendes. Bevorzugt beginnt der Übergangsbereich mit dem Federende, setzt also mit Beginn der letzten Windung ein. Der Übergangsbereich umfasst vorzugsweise eine Achtel, besonders bevorzugt eine Viertel Windung, kann jedoch auch die gesamte letzte Windung umfassen, so dass mit dem Ende des Federdrahtes die abschließende Querschnittsform des Federdrahtes erreicht wird. Besonders bevorzugt beginnt der Übergangsbereich innerhalb des Federendes, bevorzugt eine halbe Windung vor Ende des Federdrahts. Der Übergangsbereich umfasst vorzugsweise eine Achtel, besonders bevorzugt eine Viertel Windung, kann jedoch auch den gesamten verfügbaren Bereich an Windung zum Ende des Federdrahtes umfassen, so dass mit dem Ende des Federdrahtes die abschließende Querschnittsform des Federdrahtes erreicht wird. Der Übergangsbereich kann jedoch auch so beginnen, so dass mit dem Ende des Federdrahtes die abschließende Querschnittsform gerade erreicht wird ohne dabei Querschnittsänderungen einzubringen, die zu einer mechanischen Beeinträchtigung der Feder führen. Es dürfen beispielsweise keine scharfkantigen Kerben mit Faserbrüchen im Übergangsbereich auftreten, wenn das die Funktionsweise der Feder gefährdet.
Die erfindungsgemäße Schraubenfeder weist an einem oder an beiden Enden eine von der Querschnittsform des Federdrahtes im Mittelteil abweichende Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche auf, wobei jedoch die Faserverstärkung in ihrer Faserzahl konstant bleibt. Dies wird bevorzugt mittels einer der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen realisiert.
Vorzugsweise wird die Verteilung der Faserverstärkung und des Matrixmaterials in den Federenden gegenüber dem Mittelteil der Schraubenfeder so abgewandelt, dass die über dem Federende liegende Windung einen größeren Abstand erhält, als dies bei unverändertem Querschnitt und gleicher Steigungsverteilung der Federdrahtachse der Fall wäre und so ein längerer Einfederweg entsteht. Die Steigung der Schraubenfeder (Windungssteigung) bezeichnet die Komponente des räumlichen Gradienten der Federdrahtachse, welche in Richtung der Federlängsachse zeigt. Aufintegriert ergibt sich der Abstand der Federdrahtachse zu den jeweiligen Achsen der Nachbarwindungen in Federlängsrichtung. Die Federlängsachse kann die Form einer durchgängig geraden Linie, abschnittsweise linear entlang der Federlängsrichtung, krummlinig (bspw. bananenförmig) oder aus einer Kombination der voran genannten Möglichkeiten aufweisen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Inhalt der Querschnittsfläche des Federdrahtes über die gesamte Länge der Feder konstant ist. Dabei erfolgt der Übergang von der Querschnittsform des Federdrahtes im Mittelteil der Feder in einem Übergangsbereich in den Querschnitt des Federdrahtes am Endbereich des Federdrahtes in kontinuierlicher Weise. Dies beinhaltet den fließenden Übergang von der Querschnittsform im Federmittelteil in die Querschnittsform an dem Federende bzw. den Federenden. Insbesondere wird dies erreicht, indem die Faserverstärkung und das Matrixmaterial in dem Federdraht eine andere Verteilung aufweisen, als im Mittelteil der Feder. Die Federdrahtachse verschiebt sich dabei entsprechend, um der gleichbleibenden Geometrie der Federauflager Rechnung zu tragen. Dabei verformt sich auch der Kern aus seiner Querschnittsform im Mittelteil in die Querschnittsform am Federende. Bevorzugt verformt sich der Kern mathematisch ähnlich. Optional bleibt der Federkern im Übergangsbereich unverformt.
Werden die Querschnittsform im Mittelteil und im Endbereich übereinander gelegt, so dass die größtmögliche Überschneidung vorliegt, beträgt die nicht überschneidende Fläche der Querschnittsfläche des Endbereichs mindestens einen Wert von mindestens 2%, bevorzugt mindestens 5% und besonders bevorzugt mindestens 10% bezogen auf Gesamtquerschnittsfläche des Endbereichs. Die nicht überschneidende Fläche der Querschnittsfläche des Endbereichs beträgt maximal 70% bezogen auf die Gesamtquerschnittsfläche des Endbereichs, vorzugsweise maximal 60%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geht die Querschnittsform des Federdrahtes im Übergangsbereich von einer Querschnittsform des Federdrahtes in einem Mittelteil der Schraubenfeder in eine Querschnittsform des Endbereiches über, indem die Verteilung der Faserverstärkung und des Matrixmaterials im Federdraht im Verlauf des Übergangsbereichs kontinuierlich so geändert werden, dass eine über dem Federende liegende Windung einen größeren Einfederweg zur letzten Windung erhält, als dies bei unveränderter Querschnittsform der Fall wäre
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Querschnittsfläche des Federdrahtes im Endbereich geringer ist, als im Mittelteil der Feder. Auch hier erfolgt der Übergang von der Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder in einem Übergangsbereich in die Querschnittsfläche des Federdrahtes am Endbereich des Federdrahtes in kontinuierlicher Weise. Kennzeichnend ist bei dieser Ausführungsform, dass das Faserverstärkungsmaterial im Endbereich identisch mit dem im Mittelteil der Feder und im Übergangsbereich ist. Dies betrifft Faserart, Faseranzahl und sämtliche weiteren, die Faserverstärkung kennzeichnenden Eigenschaften mit Ausnahme der Faserdichte im Matrixmaterial. Bevorzugt laufen sämtliche Endlosfasern durch den gesamten Federdraht. Im Endbereich liegen die Fasern lediglich näher beieinander und sind von weniger Matrixmaterial umgeben.
Die Querschnittsfläche im Endbereich ist dabei kleiner als die Querschnittsfläche im Mittelbereich. Beispielsweise weist der Flächeninhalt der Querschnittsfläche im Endbereich einen um mindestens 2%, bevorzugt mindestens 4% und besonders bevorzugt mindestens 8% geringeren Wert auf bezogen auf die Querschnittsfläche im Mittelteil. Die Verringerung der Querschnittsfläche ist in der Art begrenzt, als dass ein maximaler Faservolumengehalt technisch nicht überschritten werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein Federende, bei dem neben einer reduzierten Querschnittsfläche auch die Querschnittsform des Federendes gegenüber dem Mittelteil der Feder verändert ist. Auch hier ist ein Übergangsbereich vorgesehen, der Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche aus dem Mittelteil der Feder in einem fließenden Übergang in Querschnittsform und Fläche des Endbereichs überführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die mit den oben genannten kombiniert werden kann, bleibt die Querschnittsform am Endbereich des Federdrahtes, anschließend an den Übergangsbereich, bevorzugt über ein Viertel, besonders bevorzugt über ein Drittel und ganz besonders bevorzugt über zwei Drittel der letzten Windung des Federdrahtes konstant.
Bevorzugt ist der Drahtquerschnitt der Schraubenfeder mindestens im Mittelbereich zwischen den beiden Federenden konstant. Das heißt an dieser Stelle, dass sowohl Querschnittsform als auch Querschnittsfläche, abgesehen von fertigungstechnisch bedingten Einflüssen (unterschiedliche Wickelspannung, Formkerntoleranzen etc.), unverändert bleiben.
In einer Ausführungsform wird die Querschnittsform des Federdrahtes an den Federenden vorzugsweise so abgewandelt, dass diese aus der Querschnittsform im Mittelteil der Feder in eine Querschnittsform im Endbereich des Federdrahtes übergeht, die einen geringeren Durchmesser des Federdrahtes in Längsrichtung der Feder aufweist oder die Faserverstärkung und das Matrixmaterials derart verteilt sind, dass der Federdraht eine nutartige Vertiefung aufweist, die den Abstand zur vorletzten Windung vergrößert. Weiterhin ist es möglich, dem Federdraht an den Federenden einen Querschnitt zu verleihen, der der Bewegung der vorletzten Windung weniger entgegensteht. Dies kann bspw. erreicht werden, indem der geometrische Schwerpunkt der Querschnittsform des Federdrahtes von der Längsachse der Feder aus gesehen radial nach innen oder nach außen verlagert wird. Kennzeichnend bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Federenden ist, dass der Flächeninhalt der Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder, im Übergangsbereich und auch im Endbereich des Federdrahtes gleichbleibt. Es ändert sich lediglich die Form der Querschnittsfläche.
Insbesondere geht der Federdraht, der im Mittelteil der Feder vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist in einen ellipsenförmigen Querschnitt über, wobei die kleine Halbachse der Ellipse in Längsrichtung der Feder ausgerichtet ist. Eine andere Ausführungsform sieht einen Übergang in einen abgeflachten Querschnitt mit einer Auskehlung gegenüber der vorletzten Windung vor. Weiterhin bevorzugt ist ein unregelmäßiger Querschnitt, der eine Verschiebung der Wölbung des ursprünglich runden Querschnitts radial nach innen oder außen aufweist.
Diese veränderten Querschnittsformen am Federende gehen optional mit einer Abflachung des Federdrahtes in Richtung des Endes der Längsrichtung der Feder einher. Dies führt vorteilhaft zu einer vergrößerten Auflagefläche des Federendes im Federsitz.
Optional wird ein unregelmäßiger Querschnitt des Endbereichs des Federdrahtes, der eine Verschiebung der Wölbung des ursprünglich runden Querschnitts radial nach innen oder außen aufweist, mit einem Einziehen bzw. Ausstellen des Endbereichs des Federdrahtes kombiniert. Dabei wird der Endbereich des Federdrahtes eingezogen, wenn die Wölbung zur Längsachse der Feder gerichtet ist und ein Ausstellen erfolgt, wenn die Wölbung von der Längsachse der Feder weg gerichtet ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Querschnittsfläche des Federdrahtes an den Federenden vorzugsweise so abgewandelt, dass diese aus der Querschnittsfläche im Mittelteil der Feder in eine geringere Querschnittsfläche im Endbereich des Federdrahtes übergeht. Kennzeichnend bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform der Federenden ist, dass im Übergangsbereich die Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder, die einen ersten Flächeninhalt aufweist, in eine Querschnittsfläche im Endbereich des Federdrahtes, die einen zweiten, gegenüber dem ersten Flächeninhalt geringeren Flächeninhalt aufweist, übergeht. Vorzugsweise bleibt die Querschnittsform jedoch unverändert, also im mathematischen Sinne, geometrisch-ähnlich. Dies bedeutet, dass eine Querschnittsfläche im Mittelteil, eine Querschnittsfläche im Übergangsbereich und eine Querschnittsfläche im Endbereich im mathematischen Sinn geometrisch-ähnlich zueinander sind. Dies ist gegeben, wenn die Querschnittsflächen durch eine geometrische Ähnlichkeitsabbildung ineinander überführt werden können. Das heißt, es gibt eine geometrische Abbildung, die sich aus zentrischen Streckungen und Kongruenzabbildungen (also Verschiebungen, Drehungen, Spiegelungen) zusammensetzen lässt und die eine Querschnittsfläche auf die andere abbildet. Bspw. hat der Federdraht somit einen kreisförmiger Querschnitt im Mittelteil, im Übergangsbereich und im Endbereich. Es ändert sich lediglich der Flächeneinhalt der Querschnittsfläche. Dies wird vorzugsweise erreicht, indem die Faserverstärkung aus dem Mittelteil ohne Unterbrechung durch den Übergangsbereich in den Endbereich des Federdrahtes geführt wird. Dabei ist im Endbereich jedoch weniger Matrixmaterial enthalten. Die Faserdichte (Faservolumengehalt) nimmt somit aus dem Mittelteil durch den Übergangsbereich in den Endbereich zu. Der Endbereich weist dann eine höhere Faserdichte (Faservolumengehalt) als der Mittelteil und der Übergangsbereich auf. Der Wert des Faservolumengehalts des Endbereichs liegt beispielsweise um 10% über dem Wert des Faservolumengehalts aus dem Mittelteil. Er kann jedoch auch andere Differenzen mit einem Wert größer Null annehmen und der Faservolumengehalt des Endbereichs kann bis knapp unter das theoretische Maximum von 80% erhöht sein. Durch die reduzierte Querschnittsfläche des Federdrahtes entsteht so im Endbereich der Feder ein vergrößerter Einfederweg.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Kombination von vorgenannten Ausführungsformen. Die Querschnittsform und auch die Querschnittsfläche ändern sich von dem Mittelteil der Feder über den Übergangsabschnitt zum Endbereich. Insbesondere nimmt die Querschnittsfläche durch Erhöhung des Faservolumengehaltes des Federdrahtes ab, d.h. das Faserverstärkungsmaterial erstreckt sich bei abnehmendem Matrixmaterialgehalt ohne Unterbrechung aus dem Mittelteil der Feder durch den Übergangsbereich in den Endbereich. Dabei kommt lediglich weniger Matrixmaterial zum Einsatz, während das Faserverstärkungsmaterial in seiner Verteilung verändert wird. Durch die reduzierte Querschnittsfläche des Federdrahtes entsteht so im Endbereich der Feder ein vergrößerter Einfederweg. Parallel zur Reduzierung der Querschnittsfläche wird auch die Querschnittsform so angepasst, dass der entstehende Einfederweg analog zur vorgenannten Ausführungsform weiter vergrößert wird.
Optional können alle Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, insbesondere mit einem Einziehen bzw. Ausstellen des Endbereichs des Federdrahtes kombiniert werden.
Optional ist der Federdraht vollständig oder abschnittsweise von einer Hülle umgeben. Diese kann lösbar oder unlösbar auf der Oberfläche des konsolidierten Federdrahtes angeordnet sein. Die Hülle besteht vorzugsweise aus einem Elastomer (bspw. Silikon), thermoplastischen Elastomer (bspw. TPU (Thermoplastisches Polyurethan)) oder einem thermoplastischen Kunststoff material (bspw. PA (Polyamid) oder Teflon). Die Hülle kann als Teil des Herstellungsverfahrens auf dem Federdraht ausgebildet werden oder nachträglich, zum Schutz von dessen Oberfläche, aufgebracht werden.
Da die Tragfähigkeit der Feder im Wesentlichen von den Verstärkungsfasern bestimmt wird, und bei der erfindungsgemäßen Schraubenfeder in allen Ausführungsformen lediglich die Verteilung der Fasern und des Matrixmaterials und nicht der durchgehender Verlauf oder Länge oder Anzahl der Fasern verändert werden, bleibt die Tragfähigkeit der Feder über die gesamte Länge im Wesentlichen konstant.
Die Ausführungsformen der Schraubenfeder sich jedoch in der Querschnittsform der beiden Federenden und/oder in der Querschnittsfläche der beiden Federenden. Damit sind zwar beide Federenden gegenüber dem Federdraht im Mittelteil verformt, jedoch unterschiedlich.
Zur Herstellung von Schraubenfedern aus faserverstärktem Material sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt. So schlägt die US 4,434,121 B vor, die mit Harz getränkte Faserverstärkung in die helixartig umlaufende Nut eines zylinderförmigen Formkerns aufzuwickeln und diesen dann mit einer Form zu umgeben, die eine korrespondierende Nut aufweist. Weiteres Harz des Matrixmaterials soll durch die Nut geleitet werden, um diese auszufüllen. Form und Formkern sollen beheizt werden, um das Harz zu erhärten. Es ist vorgesehen, dass das Matrixmaterial lediglich bis unterhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt wird und die Federenden nach einem Ablängen nochmals erwärmt, und eingezogen oder in die Form einer Schlaufe abgeflacht werden.
Die DE1020121 12937A1 schlägt vor, einen Federdraht herzustellen, indem ein Laminatstrang aus Faserverstärkungsmaterial, das mit aushärtbarem Matrixmaterial getränkt ist, in eine Federgeometrie umgeformt wird. Vor dem Umformen des Laminatstrangs wird ein strangförmiges Vorprodukt gebildet, indem in einem kontinuierlichen Applikationsprozess ein den Laminatstrang umschließender, formbarer Schutzmantel aufgebracht wird. Die Federenden können dabei optional mit Schutzkappen versehen werden, die nach dem Konsolidieren auch Bestandteil der fertigen Feder sein können.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht in seinen Grundzügen auf den aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen. Erfindungswesentlich ist jedoch die abweichende Gestaltung der Federenden.
Das Verfahren sieht vor, dass der Federdraht im unkonsolidierten Zustand auf einen zylindrischen Formkern aufgewickelt wird. Dieser Formkern weist optional eine helixartig um den Formkern verlaufende Nut auf, in die der Federdraht eingelegt wird. Die Faserverstärkung des Federdrahtes ist dabei trocken oder bereits mit Harz getränkt.
Optional ist eine Außenform vorgesehen, die den Formkern mit dem in die Nut eingelegten Federdraht umgibt. Der Formkern und/oder die Form ist beheizbar. Wenn die Faserverstärkung des Federdrahtes noch nicht bzw. nicht ausreichend mit Harz getränkt ist, wird dies nun durch Einleiten von Harz in die Nut durchgeführt.
Durch Beheizen der Form bzw. des Formkernes oder von beiden kann das Harz des Federdrahtes nun vollständig oder teilweise ausgehärtet werden. Bei einer vollständigen Aushärtung erfolgt die Anpassung der Querschnittsform und/oder der Querschnittsfläche der Federenden vor dem Aushärten. Vorzugsweise ist dazu ein spezielles Formwerkzeug der Federenden, das den Übergangsbereich und das Ende des Federdrahtes in die gewünschte Form bringt und dann erst aushärtet (Beheizung) vorgesehen. Dies führt, bei entsprechender Form des Formwerkzeugs zu einer Querschnittsformveränderung und/oder zu einer Reduzierung der Querschnittsfläche unter Beibehaltung aller Faserverläufe aus dem Mittelteil der Feder. Die Änderung der Querschnittsfläche, oder genauer des Inhaltes der Querschnittsfläche erfolgt, indem durch die Form oder durch ein spezielles Formwerkzeug, das an den Enden des unkonsolidierten Federdrahtes angreift, unkonsolidiertes Matrixmaterial aus dem Verstärkungsfasermaterial herausgepresst wird.
Vorzugsweise ist das spezielle Formwerkzeug Teil des Formkernes und/oder der diesen umgebenden Form. So ist es bevorzugt, die Querschnittsflächenänderung bzw. Querschnittsformänderung vom Querschnitt in der Federmitte zwischen den Federenden, den Übergangsbereich und die Querschnittsform/-fläche des Endes des Federdrahtes in einem Verfahrensschritt herzustellen. Diese Vorgehensweise ist jedoch weniger geeignet, wenn die Querschnittsform des Endes des Federdrahtes eine hinterschnittige Ausgestaltung innerhalb der Form bzw. des Kerns beinhaltet.
Eine alternative Vorgehensweise sieht vor, dass bei einer vollständigen Aushärtung die Federenden ausgenommen sind. Diese werden maximal bis über den Gelpunkt erhärtet. Nach dem Entnehmen der Feder aus der Form bzw. dem Entformen vom Formkern werden die Federenden mit einem speziellen Formwerkzeug, bspw. einem Presswerkzeug, dass den Übergangsbereich und den Endbereich des Federdrahtes in die gewünschte Querschnittsform bringt, behandelt. Dazu kann das Werkzeug beheizbar sein. Durch Erwärmen über die Glastemperatur wird der Federdraht erneut plastisch verformbar. Weiteres Erwärmen führt dann zum vollständigen Konsolidieren des Matrixmaterials. Diese Vorgehensweise ist für die Herstellung von Federn nach der ersten Ausführungsform geeignet. In Kombination mit einer vorhergehenden Querschnittsverringerung mittels eines speziellen Formwerkzeugs ist sie auch für eine weitere Ausführungsform anwendbar.
Eine weitere bevorzugte Vorgehensweise ist besonders zur Herstellung der ersten Ausführungsform geeignet. Sie sieht vor, die Faserverstärkung des Federdrahtes mit einem Schlauch zu umhüllen. In diesen Schlauch wird dann Matrixmaterial in unkonsolidiertem Zustand eingeleitet. Anschließend erfolgt eine Vernetzung (bspw. durch Erwärmung) des Matrixmaterials bis über den Gelpunkt des Matrixmaterials. Nunmehr kann der Schlauch entfernt werden oder auf dem vorgeformten Federdraht verbleiben und anschließend Teil der Feder werden. Anschließend kann der Federdraht über die Glasübergangstemperatur erwärmt und in die gewünschte Schraubenform gebracht werden. Dies erfolgt bevorzugt durch Aufwinden auf einen beheizbaren Formkern. In diesem Arbeitsschritt können auch die Federenden umgeformt werden. Dazu können geeignete Formwerkzeuge, z.B. Klemmvorrichtungen, genutzt werden. Durch weiteres Erwärmen wird das Matrixmaterial vollständig ausgehärtet.
Eine weitere alternative Vorgehensweise beinhaltet, dass der Federdraht, genauer gesagt, die Faserverstärkung des Federdrahtes, im unkonsolidierten Zustand abgelängt wird. Anschließend wird die Faserverstärkung des Federdrahtes mit Harz getränkt und an den Enden in Klemmvorrichtungen eingespannt. Diese Klemmvorrichtungen wirken optional als spezielle Formwerkzeuge zur Verringerung der Querschnittsfläche im Endbereich. Anschließend erfolgt das Aufwickeln auf einen zylindrischen Formkern, der optional eine Nut zur Führung des Federdrahtes aufweist. Optional wird der Formkern mit aufgewickeltem Federdraht in eine Form eingelegt, die auch beheizbar sein kann. Die Klemmvorrichtungen umfassen mindestens den Übergangsbereich des Federdrahtes und das Federende. Durch Beheizen des Formkernes und der Klemmvorrichtungen und optional der Form wird das Matrixmaterial ausgehärtet und die Schraubenfeder konsolidiert. Abschließend werden Klemmvorrichtungen und Formkern und optional auch die Form entfernt. Die Klemmvorrichtungen können zweiteilig oder auch mehrteilig ausgeführt werden.
Eine weitere bevorzugte Vorgehensweise sieht vor, dass die mit Harz getränkte Faserverstärkung des Federdrahtes im unkonsolidierten Zustand in einer flexiblen Hülle angeordnet ist. Diese besteht bspw. aus einem thermoplastischen Material oder Silikon. Anschließend wird der unkonsolidierte Federdraht nach einem der vorgenannten Verfahren auf einen beheizbaren Formkern mit optionaler Nut und optionaler Außenform aufgebracht und wie oben dargestellt konsolidiert bzw. teilkonsolidiert. Die Ausführung der Federenden kann ebenfalls nach einer der oben dargestellten Verfahrensweisen erfolgen. Nach dem Konsolideren kann die Hülle als Oberflächenschutz auf der Feder verbleiben oder, falls sie keine Verbindung mit dem Matrixmaterial eingeht (bspw. Teflonhülle oder Silikonhülle) abgezogen werden. Bei Federenden, die eine Verringerung der Querschnittsfläche aufweisen, kann die Hülle optional aufgetrennt und dann entfernt werden. Weitere bevorzugte Vorgehensweisen sehen mehrteilige Hüllen vor, wobei die Hülle im Mittelteil einen konstanten Querschnitt aufweist und für die Übergangs- und Endbereiche jeweils angepasste Hüllen möglich sind. Diese können bspw. konisch in Richtung der Enden ausgeführt sein, um so einer Querschnittsflächenverringerung des Federdrahtes im Endbereich zu folgen.
Optional kann als Umhüllung des Übergangs- und des Endbereichs Schrumpfschlauch eingesetzt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schraubenfeder enthält mindestens ein Formwerkzeug, das in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist, in welchen ein zu verformender Endbereich oder ein zu verformender Endbereich und ein zu verformender Übergangsbereich des zumindestens in diesen Bereichen unkonsolidierten Federdrahtes einlegbar ist, wobei der Hohlraum die angestrebte Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche des Endbereiches oder des Endbereiches und des Übergangsbereiches abbildet. Damit wird der Endbereich des Federdrahtes oder der Endbereich und der Übergangsbereich des Federdrahtes wie gewünscht und oben beschrieben umgeformt.
Vorzugsweise weist das Formwerkzeug eine Temperiervorrichtung zum Beheizen oder Abkühlen des Formwerkzeuges auf, so dass das Material des Federdrahtes innerhalb des Formwerkzeuges erwärmt und ggf. konsolidiert und/oder wieder abgekühlt werden kann.
Das Formwerkzeug weist vorzugsweise zum leichteren Einlegen der umzuformenden Federdrahtbereiche in den Hohlraum sowie zum leichteren Entformen der umgeformten Federdrahtbereiche eine zwei- oder mehrteilige Bauform auf.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.
Figuren
Fig. 1 a zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer Au sfüh rungsform 100 der erfindungsgemäßen Feder. Das eine Federende weist einen Übergangsbereich B und einen Endbereich E auf. Das andere Federende bleibt bei gleicher Auflagergeometrie unverformt.
Fig. 1 b bis 1 d zeigen schematisch den inneren Aufbau verschiedener Ausführungsformen des die Feder bildenden Federdrahtes. In einer Ausführungsform 10 des Federdrahtes, dargestellt in Fig. 1 b, umhüllt eine Hülle 1 1 , bspw. aus Silikon, mehrere Faserlagen 12, die um einen Kern 13 gewickelt oder geflochten sind. Der Kern 13 besteht ebenfalls aus Fasermaterial, in dem die Fasern unidirektional parallel nebeneinander angeordnet oder miteinander leicht verdrillt vorliegen. Zumindest im konsolidierten Zustand liegt im Bereich der Faserlagen 12 und des Kerns 13 neben den Fasern Matrixmaterial vor. Das Matrixmaterial kann auch bereits im unkonsolidierten Zustand im Federdraht 10 enthalten sein.
In einer anderen Ausführungsform kann der Kern auch nur aus Kunststoff, bspw. Matrixmaterial, bestehen und keine Fasern aufweisen. Darüber hinaus ist die Hülle 1 1 nur optional vorhanden.
So zeigt bspw. die Fig. 1 c eine Ausführungsform 10‘ des Federdrahtes, bei dem keine Hülle vorhanden ist. Darüber hinaus ist auch kein Kern vorhanden, sondern im Inneren des Federdrahtes liegt ein Hohlraum 13‘ vor. Die Faserlagen 12 sind bspw. in Form eines Flechtschlauches ausgebildet.
Fig. 1 d zeigt eine weitere Ausführungsform 10“ des Federdrahtes, bei der die Faserlagen 12 auf einen Schlauchkern 14, der die Form eines hohlen, flexiblen Rohres oder Schlauches hat und aus Kunststoff besteht, aufgebracht und - wiederum optional - mit einer Hülle 1 1 nach außen abgeschlossen sind.
Wenn im Folgenden keine konkreten Aussagen über den Aufbau des Federdrahtes gemacht sind, so kann der Federdraht entsprechend jeder der hier aufgeführten Ausführungsformen ausgebildet sein. Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform 100‘ der erfindungsgemäßen Feder. Hier sind beide Endbereiche verformt und als Endquerschnitt A1 realisiert. Der Übergangsbereich B leitet von der Querschnittsfläche AO in die elliptische Endfläche A1 über.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Federende einer Konstruktion aus dem Stand der Technik. Hier besteht zwischen der vorletzten Windung und der letzten Windung der Abstand q1 .
Fig. 4a bis Fig. 4e zeigen schematisch Federenden der erfindungsgemäßen Konstruktion entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Abstände q2 bis q6 der einzelnen Figuren sind jeweils größer, als der Abstand q1 im Stand der Technik. Es ist also ein verlängerter Federweg durch die erfindungsgemäße Lösung erzielt worden. Die mit eins beginnenden Bezugszeichen verweisen auf die letzte Windung 1 , die mit zwei beginnenden Bezugszeichen auf die vorletzte Windung 2. Die Federdrähte weisen eine Faserverstärkung 15, 25 auf, die in Matrixmaterial 16, 26 eingeschlossen ist. Die konkrete Anordnung der Faserverstärkung in den mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Faserlagen und ggf. in einem mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Kern ist hier zur besseren Veranschaulichung der Verformung vernachlässigt und nicht dargestellt. Die Federdrähte sind jeweils von einer Hülle 1 1 , 21 umgeben. Die Faserverstärkung 25 geht im Übergangsbereich (nicht dargestellt) in die Faserverstärkung 15 über.
In Fig. 4a ist der Endbereich der letzten Windung 1 in eine elliptische Querschnittsform gebracht worden, wobei die kurze Achse der Ellipse, d.h. die Nebenachse, parallel zur Federlängsachse liegt. Der Abstand q2 zur vorletzten Windung 2 ist daher größer, als wenn der kreisförmige Querschnitt beibehalten worden wäre.
In Fig. 4b ist der Endbereich der letzten Windung 1 in eine Querschnittsform gebracht worden, bei der ein Teil des Materials des Federdrahtes in Richtung auf die Längsachse der Feder verschoben ist. Der Flächenschwerpunkt der Querschnittsfläche ist somit radial nach innen verschoben. Der Abstand q3 zur vorletzten Windung 2 ist größer, als wenn der kreisförmige Querschnitt beibehalten worden wäre, da im Mittelbereich des Querschnitts des Federdrahtes eine geringere Höhe desselben erzielt wurde.
In Fig. 4c ist der Endbereich der letzten Windung 1 in eine Querschnittsform gebracht worden, bei der ein Teil des Materials des Federdrahtes in Richtung auf die Längsachse der Feder und ein Teil radial von dieser weg verschoben ist. Es ist dadurch eine nutartige Vertiefung im Federdraht ausgebildet, die den Abstand q4 zur vorletzten Windung 2 vergrößert. In Fig. 4d ist der Endbereich der letzten Windung 1 in eine Querschnittsform gebracht worden, bei der ein Teil des Materials des Federdrahtes in Richtung auf die Längsachse der Feder und ein Teil radial von dieser weg verschoben ist. Es ist dadurch eine nutartige Vertiefung im Federdraht ausgebildet, die den Abstand q5 zur vorletzten Windung 2 vergrößert. Gegenüber der Fig. 4c wurde die Unterseite des Federdrahtes weiter abgeflacht, so dass eine bereitere Auflagefläche des Federdrahtes im Federsitz erzielt wird.
In Fig. 4e ist der Endbereich der letzten Windung 1 in eine Querschnittsform gebracht worden, bei der ein Teil des Materials des Federdrahtes radial von der Längsachse der Feder weg verschoben ist. Der Flächenschwerpunkt der Querschnittsfläche ist somit radial nach außen verschoben. Der Abstand q6 zur vorletzten Windung 2 ist größer, als wenn der kreisförmige Querschnitt beibehalten worden wäre, da im Mittelbereich des Querschnitts des Federdrahtes eine geringere Höhe desselben erzielt wurde.
Die Formen der Endbereiche der letzten Windungen 1 in den Figuren Fig. 4a bis Fig. 4e wurden durch Umformung der Federenden im Zuge der Herstellung erzielt.
In Fig. 5a ist eine Federkonstruktion analog zu der nach Fig. 4b dargestellt. Hier ist jedoch das Federende gegenüber der vorletzten Windung eingezogen (gestrichelte Linie zur Orientierung). Der Abstand q7 ist noch größer als der Abstand q3 aus Fig. 4b.
In Fig. 5b ist eine Federkonstruktion analog zu der nach Fig. 4e dargestellt. Hier ist jedoch das Federende gegenüber der vorletzten Windung ausgestellt (gestrichelte Linie zur Orientierung). Der Abstand q8 ist noch größer als der Abstand q6 aus Fig. 4e.
Fig. 5c zeigt eine weitere Federkonstruktion. Auch hier ist das Federende in seiner Querschnittsform in eine Ellipse verformt, wobei nun jedoch die lange Achse der Ellipse, d.h. die Hauptachse, parallel zur Federlängsachse angeordnet ist. Dabei ist das Federende soweit nach innen zur Federmitte eingezogen, dass das Federende bei Belastung ins Federinnere eintaucht. Um eine Kollision mit der darüberliegenden Windung zu vermeiden, muss ein Mindestabstand q9 zwischen der äußeren Kante der letzten Windung 1 und der inneren Kante der vorletzten Windung 2 vorliegen. Darüber hinaus ist in Fig. 5c ein Federdraht analog zur Ausbildung gemäß Fig. 1 b dargestellt, d.h. der Federdraht enthält einen Kern 13, 23 mit Faserverstärkung, mehrere darum angeordnete Faserlagen 12, 22 und eine äußere Hülle 1 1 , 21 , wobei die mit eins beginnenden Bezugszeichen auf die letzte Windung 1 und die mit zwei beginnenden Bezugszeichen auf die vorletzte Windung 2 verweisen. Wie zu sehen ist, hat sich in der letzten Windung 1 der Federdraht nicht nur äußerlich verformt, sondern auch der Kern 13 hat sich verformt. Die ist jedoch nicht notwendigerweise gegeben: Es kann auch Verformungen des Federendes geben, bei denen der Kern nicht verformt ist.
Fig. 6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Federkonstruktion nach einer Ausführungsform. Auch hier ist die konkrete Anordnung der Faserverstärkung in den mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Faserlagen und ggf. in einem mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Kern zur besseren Veranschaulichung der Verformung vernachlässigt und nicht dargestellt. Der Federdraht weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Fläche dieses kreisförmigen Querschnitts reduziert sich von der vorletzten Windung 2 zum Endbereich der letzten Windung 1 . Dies ist erkennbar daran, dass der Durchmesser d2 des Federdrahtes der vorletzten Windung 2 sich zu einem Durchmesser d1 der letzten Windung 1 reduziert. Der Abstand q10 zwischen letzter Windung und vorletzter Windung des Federdrahtes ist aufgrund des reduzierten Querschnitts des Endbereichs der Feder vergrößert. Die Anzahl der Verstärkungsfasern 15, 25 ist in der vorletzten Windung 2 und der letzten Windung 1 identisch. Durch die Querschnittsreduzierung ist die Dichte der Fasern 15 erhöht und das Matrixmaterial 16 erhält einen geringeren Anteil an der Querschnittsfläche. Der Faservolumengehalt ist somit im Endbereich der Feder erhöht.
Fig. 7 zeigt schematisch Ausschnitte der letzten beiden Windungen einer erfindungsgemäßen Federkonstruktion nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Auch hier ist die konkrete Anordnung der Faserverstärkung in den mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Faserlagen und ggf. in einem mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Kern zur besseren Veranschaulichung der Verformung vernachlässigt und nicht dargestellt. Diese Ausführungsform kombiniert die Anpassung der Querschnittsform entsprechend der Ausführungsform mit der Reduzierung der Querschnittsfläche bei beibehaltenem Faserverstärkungsmaterial entsprechend der weiteren Ausführungsform. Damit ist im Endbereich der Feder sowohl die Querschnittsform gegenüber der Querschnittsform im Mittelteil verändert, als auch die Querschnittsfläche gegenüber der Querschnittsfläche im Mittelteil verringert. Der Abstand q1 1 zwischen letzter Windung und vorletzter Windung des Federdrahtes ist aufgrund der veränderten Form und des reduzierten Querschnitts des Endbereichs der Feder vergrößert.
Die Figuren 8a bis 10e dienen der Veranschaulichung der Formwerkzeuge, mit denen die Federenden verformt werden und stellen verschiedenen Ausführungsformen dieser Formwerkzeuge, teils in Verbindung mit dem zu verformenden Federdraht, dar. Die Figuren 8a bis 8e zeigen ein Beispiel, bei dem eine Feder 100 im Bereich eines ihrer Federenden durch ein erstes Formwerkzeug 210 verformt wird. Das erste Formwerkzeug besteht aus einem Oberteil 21 1 und einem Unterteil 212, wobei das Oberteil 21 1 einen oberen Teil der letzten Windung der Feder 100 und das Unterteil 212 einen unteren Teil der letzten Windung der Feder 100 umschließen. Der obere T eil der letzten Windung ist nach außen, weg von den anderen Windungen der Feder 100 gerichtet, während der untere Teil der letzten Windung der vorletzten Windung zugewandt ist. Das Oberteil 21 1 und das Unterteil 212 weisen jeweils eine Vertiefung 213, 214 auf, in die der Endbereich E und/oder der Übergangsbereich B der Feder 100 eingelegt sind. Die Vertiefungen 213, 214 bilden somit in geschlossenem Zustand des Formwerkzeugs 210 einen Hohlraum, in die der End- und/oder Übergangsbereich E bzw. B des Federdrahts einlegbar ist. Das Federende ist in den Fig. 8b und 8c bereits verformt und weist an seinem Ende eine Querschnittsfläche auf, die gegenüber der Querschnittsfläche im Mittelteil der Feder eine andere Form hat. In Fig. 8b ist ein unterer Teil A1 1 der Querschnittsfläche des Endbereichs der Feder dargestellt, während in Fig. 8c ein oberer Teil A12 der Querschnittsfläche des Endbereichs der Feder zu sehen ist. Das erste Formwerkzeug 210 ist durch seine horizontale Teilung in das Oberteil 21 1 und das Unterteil 212 gut von dem verformten Federende entfernbar.
Die Figuren 9a bis 9e zeigen ein Beispiel, bei dem eine Feder 100 im Bereich eines ihrer Federenden durch ein zweites Formwerkzeug 220 verformt wird. Das zweite Formwerkzeug besteht aus einem Außenteil 221 und einem Innenteil 222, wobei das Außenteil 221 einen äußeren Teil der letzten Windung der Feder 100 und das Innenteil 222 einen inneren Teil der letzten Windung der Feder 100 umschließen. Der äußere Teil der letzten Windung ist nach außen, weg vom Federinneren der Feder 100 gerichtet, während der innere Teil der letzten Windung dem Federinneren und der Federlängsachse zugewandt ist. Das Außenteil 221 und das Innenteil 222 bestehen jeweils aus zwei Teilen 221 a, 221 b bzw. 222a, 222b, wobei der mit„a“ bezeichnete Teil jeweils den Endbereich der Feder aufnimmt, während der mit„b“ bezeichnete Teil jeweils an den Mittelteil der Feder angrenzt. Insbesondere für das Innenteil 222 ist die vertikale Teilung vorteilhaft für ein problemloses Entfernen von der Feder 100. Das Außenteil 221 und das Innenteil 222 weisen jeweils eine Vertiefung 223, 224 auf, in die der Endbereich E und/oder der Übergangsbereich B der Feder 100 eingelegt sind. Das Federende ist bereits verformt und weist an seinem Ende eine Querschnittsfläche auf, die gegenüber der Querschnittsfläche im Mittelteil der Feder eine andere Form hat. In Fig. 9b ist ein innerer Teil A13 der Querschnittsfläche des Endbereichs der Feder dargestellt, während in Fig. 9c ein äußerer Teil A14 der Querschnittsfläche des Endbereichs der Feder zu sehen ist. Dabei ist zu sehen, dass die Querschnittsfläche des Federendes ungleichförmig geformt und das Federende gegenüber der vorletzten Windung nach innen eingezogen ist. Die Figuren 10a bis 10e zeigen ein weiteres Beispiel, bei dem eine Feder 100 im Bereich eines ihrer Federenden durch ein drittes Formwerkzeug 230 verformt wird. Das Formwerkzeug besteht, ähnlich wie beim Formwerkzeug in Fig. 9a bis 9e, aus einem Außenteil 231 und einem Innenteil 232, wobei das Außenteil 231 einen äußeren Teil der letzten Windung der Feder 100 und das Innenteil 232 einen inneren T eil der letzten Windung der Feder 100 umschließen. Das Außenteil 231 und das Innenteil 232 bestehen jeweils aus zwei Teilen 231 a, 231 b bzw. 232a, 232b, wobei der mit„a“ bezeichnete Teil jeweils den Endbereich der Feder aufnimmt, während der mit„b“ bezeichnete Teil jeweils an den Mittelteil der Feder angrenzt. Das Außenteil 231 und das Innenteil 232 weisen jeweils eine Vertiefung 233, 234 auf, in die der Endbereich E und/oder der Übergangsbereich B der Feder 100 eingelegt sind. Darüber hinaus ist in mindestens dem Außenteil 231 oder mindestens dem Innenteil 232 eine Kavität 235, d.h. ein Hohlraum, ausgebildet, der über einen Kanal mit einem kleinen Durchmesser mit der Vertiefung 233 bzw. 234 verbunden ist. In Fig. 10d ist die Kavität 235 für den Außenteil 231 dargestellt. Im Gegensatz zu den anderen Formwerkzeugen dient das Formwerkzeug 230 einer Reduzierung der Querschnittsfläche des Endbereichs der Feder gegenüber der Querschnittsfläche im Mittelteil der Feder. Dies ist bspw. in den Fig. 10b und 10d an den unterschiedlichen Durchmessern der Feder 100 bzw. der Vertiefung 233 am Beginn des Formwerkzeuges 230, d.h. an der Grenze zum Mittelteil der Feder, und am Federende zu sehen. In Fig. 10b ist der innere Teil A13 der Querschnittsfläche im Endbereich der Feder ersichtlich. Das durch die Verringerung der Querschnittsfläche austretende, überschüssige Matrixmaterial gelangt durch den Kanal in die Kavität 235 und wird dort aufgefangen.
Ausführungsbeispiele
In einem Ausführungsbeispiel (Fig. 1 a in Verbindung mit Fig. 1 b) weist die Feder eine Länge h von 180mm auf. Der Durchmesser X beträgt 75mm. Der Federdraht hat dabei in der Federmitte einen kreisförmigen Querschnitt der Fläche AO mit einem Durchmesser von 16mm. Der Federdraht besteht aus Kohlefasern, die im Kern unidirektional der Federdrahtachse F folgend ausgerichtet sind. Der Kern ist von Wickellagen aus Kohlenstofffasern umgeben. Die Lagen aus Kohlenstofffasern sind von einem Schlauch umgeben, so dass die getränkten Fasern während des Herstellungsprozesses eingehüllt sind. Im Mittelteil der Feder beträgt der Abstand q der Windungen voneinander 15mm. An einem ersten Federende, dem unteren in der Figur, bleibt die Querschnittsfläche unverformt und am anderen, zweiten Federende, dem oberen in der Figur, wird die kreisförmige Querschnittsfläche des Federdrahtes über die Länge des Übergangsbereichs B, der hier eine viertel Windung beträgt in die elliptische Querschnittsfläche des Endbereichs E mit dem Flächeneinhalt A1 überführt. Dies erfolgt, indem die Fasern während der Herstellung in einem geeigneten Formwerkzeug, das Übergangs- und Endbereich ausbildet, in die gewünschte Form gedrückt (gepresst) werden. Dabei werden keine Fasern unterbrochen oder beschädigt. Durch den Übergangsbereich erfolgen auch keine abrupten Richtungsänderungen der Fasern, die ansonsten zu Spannungen in der Faserverstärkung und potentiellen Bruchstellen führen könnten. Kennzeichnend ist, dass die Querschnittsfläche A1 des Endbereiches E gleich der Querschnittsfläche AO im Mittelteil der Feder ist. Der Endbereich des Federdrahtes weist eine elliptische Querschnittsfläche auf, bei der die kleine Halbachse der Ellipse parallel zur Längsachse L der Feder verläuft. Aufgrund der elliptischen Verformung des Endbereichs des Federdrahtes am zweiten Federende ist der Abstand qx- der letzten Windung zur vorletzten Windung am zweiten Federende jedoch größer als der Abstand qy der unverformten letzten Windung zur vorletzten Windung am ersten Federende. Der Abstand qx beträgt hier 12mm, während der Abstand qy 7mm beträgt. In Ausführungsformen kann der Abstand qx kleiner als, gleich oder größer als der Abstand q der Windungen im Mittelteil der Feder sein, ist aber immer größer als der Abstand qy.
Im zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) sind die Daten der Feder mit dem nach Fig. 1 identisch. Jedoch zieht sich hier der Übergangsbereich B über eine halbe Windung hin und der Endbereich des Federdrahtes wird erst mit dessen Ende erreicht. Die am Ende des Federdrahtes erreichte Querschnittsfläche A1 ist wieder genauso groß, wie die Querschnittsfläche AO im Mittelteil der Feder.
Bezugszeichenliste
1 letzte Windung der Feder 10, 10‘, 10“ Federdraht
1 1 Hülle der letzten Windung um den Federdraht
12 Faserlagen
13 Kern
13‘ Hohlraum
14 Schlauchkern
15 Verstärkungsfasern der letzten Windung des Federdrahtes
16 Matrixmaterial der letzten Windung des Federdrahtes
2 vorletzte Windung der Feder vor dem Federende
21 Hülle der vorletzten Windung um den Federdraht
25 Verstärkungsfasern der vorletzten Windung des Federdrahtes
26 Matrixmaterial der vorletzten Windung des Federdrahtes 100, 100‘ Schraubenfeder
210, 220, 230 Formwerkzeug
21 1 oberer Teil des Formwerkzeugs
212 unterer T eil des Formwerkzeugs 221 , 231 Außenteil des Formwerkzeugs 222, 232 Innenteil des Formwerkzeugs
213, 214, 223, 224, 233, 234 Vertiefung im Formwerkzeug 235 Kavität im Formwerkzeug
q Abstand zwischen zwei Windungen im Mittelteil der Feder qx, qy, q1 ... q1 1 Abstand zwischen letzter Windung und vorletzter Windung des
Federdrahtes A0 Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder
A1 Querschnittsfläche des Federdrahtes des Endbereichs des Federdrahtes
A1 1 unterer Teil von A1
A12 oberer Teil von A1
A13 innerer Teil von A1
A14 äußerer T eil von A1
B Übergangsbereich des Federdrahtes (gestrichelter Kasten)
d Durchmesser des Federdrahtes im Mittelteil der Feder
F Federdrahtachse
E Endbereich des Federdrahtes (gestrichelter Kasten)
h Länge der Feder
L Federlängsachse
X Durchmesser der Feder

Claims

Patentansprüche
1. Schraubenfeder (100, 100‘), die mehrere Windungen aus einem helixartig gewundenen Federdraht (10, 10‘, 10“) aus faserverstärktem Kunststoffmaterial aufweisend eine Faserverstärkung und ein Matrixmaterial, aufweist, wobei die Faserverstärkung über die gesamte Länge des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) als Endlosfasermaterial mit konstanter Faseranzahl verläuft, wobei die Schraubenfeder zwei Federenden und an mindestens einem der Federenden in einer letzten Windung (1 ) der Schraubenfeder (100, 100‘) einen Übergangsbereich (B) und daran in Richtung des Endes des Federdrahtes anschließend einen Endbereich (E) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) im Übergangsbereich (B) von einer Querschnittsfläche (A0) des Federdrahtes in einem Mittelteil der Feder in eine geringere Querschnittsfläche (A1 ) des Endbereiches (E) übergeht, indem der Faservolumengehalt im Federdraht (10, 10‘, 10“) im Verlauf des Übergangsbereichs (B) kontinuierlich erhöht wird.
2. Schraubenfeder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Querschnittsform des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) im Übergangsbereich (B) von einer Querschnittsform des Federdrahtes in einem Mittelteil der Schraubenfeder in eine Querschnittsform des Endbereiches (E) übergeht, indem die Verteilung der Faserverstärkung und des Matrixmaterials im Federdraht (10, 10‘, 10“) im Verlauf des Übergangsbereichs (B) kontinuierlich so geändert werden, dass eine über dem Federende liegende Windung einen größeren Einfederweg zur letzten Windung erhält, als dies bei unveränderter Querschnittsform der Fall wäre.
3. Schraubenfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Querschnittsform im Endbereich (E) des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) einen geringeren Durchmesser des Federdrahtes in Längsrichtung der Schraubenfeder (100, 100‘) aufweist oder die Faserverstärkung und das Matrixmaterial derartig verteilt sind, dass der Federdraht (10, 10‘, 10“) eine nutartige Vertiefung aufweist, die den Abstand zur vorletzten Windung vergrößert.
4. Schraubenfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Endbereich (E) ein geometrischer Schwerpunkt der Querschnittsform des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) von der Längsachse (L) der Feder aus gesehen radial nach innen oder nach außen verlagert ist.
5. Schraubenfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerung des geometrischen Schwerpunktes durch eine Verschiebung einer Wölbung des ursprünglich runden Querschnitts des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) radial nach innen oder außen realisiert ist.
6. Schraubenfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Federdraht (10, 10‘, 10“) im Endbereich (E) oder im Endbereich (E) und im Übergangsbereich (B) in Richtung des Endes der Längsrichtung (L) der Feder abgeflacht ist.
7. Schraubenfeder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Querschnittsform über die gesamte Länge des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) geometrisch-ähnlich ist.
8. Schraubenfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Federdraht (10, 10‘, 10“) über seine gesamte Länge oder einen Abschnitt seiner Länge eine Hülle (1 1 , 21 ) aufweist.
9. Schraubenfeder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (1 1 , 21 ) aus einem Elastomer, thermoplastischem Elastomer oder einem thermoplastischen Kunststoff besteht.
10. Schraubenfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung aus unidirektionalen Endlosfasern besteht, die sich unterbrechungsfrei zwischen den beiden Enden des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) erstrecken.
1 1. Schraubenfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung aus unidirektionalen Endlosfasern, die mit einer oder mehreren Lagen aus gewickelten oder geflochtenen Fasern umgeben sind, besteht und sich die gesamte Faserverstärkung unterbrechungsfrei zwischen den beiden Enden des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) erstreckt.
12. Schraubenfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Federende der Schraubenfeder (100‘) nach Anspruch 1 ausgebildet ist und ein zweites Federende der Schraubenfeder (100‘) zusätzlich das Merkmal des Anspruchs 2 aufweist, wobei sich das erste Federende und das zweite Federende unterscheiden.
13. Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder (100, 100‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend mindestens die folgenden Schritte:
Bereitstellen des Federdrahtes,
Winden des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) in die angestrebte Federform,
Weiterverarbeitung des gewundenen Federdrahtes im unkonsolidierten oder teilkonsolidierten Zustand, wobei der Federdraht im unkonsolidierten oder im erneut erweichten Zustand an den Endstücken in eine andere Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche gebracht wird, als der Federdraht zwischen den Endstücken aufweist,
vollständige Konsolidierung des faserverstärkten Kunststoffmaterials des Federdrahtes nach der Weiterverarbeitung.
14. Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder (100, 100‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend mindestens die folgenden Schritte:
Bereitstellen des Federdrahtes,
Winden des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) in die angestrebte Federform,
Weiterverarbeitung des gewundenen Federdrahtes wobei der Federdraht (10, 10‘, 10“) im Mittelteil der Schraubenfeder konsolidiert wird und die Endstücken im unkonsolidierten oder teilkonsolidierten Zustand verbleiben,
Umformen der Endstücke in eine andere Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche,
vollständiges Konsolidieren der umgeformten Endstücke.
15. Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder (100, 100‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Faserverstärkungsmaterial in eine schlauchförmige Hülle eingebracht wird, anschließend das Matrixmaterial in diese schlauchförmige Hülle eingeleitet wird, nachfolgend eine Vernetzung des Matrixmaterials bis über einen Gelpunkt des Matrixmaterials erfolgt,
die schlauchförmige Hülle entfernt wird oder aber auf dem Federdraht verbleibt, der Federdraht erwärmt und auf einen Formkern gewunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform und/oder die Querschnittsfläche des Übergangs- (B) und des Endbereichs (E) an einem oder beiden Enden des Federdrahtes (10, 10‘, 10“) mittels eines speziellen Formwerkzeugs (210, 220, 230) so verändert wird, dass ein größerer Einfederweg entsteht,
das Matrixmaterial durch weiteres Erwärmen ausgehärtet wird.
16. Vorrichtung zur Herstellung einer Schraubenfeder (100, 100‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, enthaltend mindestens ein Formwerkzeug (210, 220, 230), dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (210, 220, 230) in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist, in welchen ein zu verformender Endbereich (E) oder ein zu verformender Endbereich (E) und ein zu verformender Übergangsbereich (B) des zumindestens in diesen Bereichen unkonsolidierten Federdrahtes (10, 10‘, 10“) einlegbar ist, wobei der Hohlraum die angestrebte Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche des Endbereiches (E) oder des Endbereiches (E) und des Übergangsbereiches (B) abbildet.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (210, 220, 230) eine Temperiervorrichtung zum Beheizen oder Abkühlen des Formwerkzeuges aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (230) eine Kavität (235) zur Aufnahme des überschüssigen Matrixmaterials aufweist.
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