DE102008057462A1 - Fiber composite-spring for use in vehicle construction, has end-, winding- and deflecting sections alternatively arranged on top of each other, formed geometrically different from each other and provided with meander-shaped folded layers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Feder aus einem Faserverbundwerkstoff, die zwei Endabschnitte und dazwischen angeordnete Windungsabschnitte aufweist. Dabei ist diese Feder (1) dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (2, 6) und die Windungsabschnitte (4, 5) über Umlenkabschnitte (3) einstückig miteinander verbunden sind, wobei alle Abschnitte (2, 3, 4, 5, 6) aus wechselweise übereinander gelegten, geometrisch unterschiedlich geformten und mäanderförmig gefalteten Lagen eines Faserverbundwerkstoffes bestehen. Vorzugsweise kommen Prepreg-Lagen (14, 15) zum Einsatz, welche entlang ihrer Längserstreckung sinus- oder kosinus-förmig verlaufen und wechselweise übereinander gelegt sind. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Feder.The invention relates to a spring made of a fiber composite material having two end portions and arranged therebetween Windungsabschnitte. In this case, this spring (1) is characterized in that the end sections (2, 6) and the turn sections (4, 5) are connected in one piece via deflection sections (3), all sections (2, 3, 4, 5, 6) consist of alternately superimposed, geometrically different shaped and meandering folded layers of a fiber composite material. Preference is given to using prepreg layers (14, 15) which run sinusoidally or cosinusoidally along their longitudinal extension and are alternately superimposed. Furthermore, the invention relates to a method and an apparatus for producing such a spring.
Description
Die Erfindung betrifft eine Feder aus einem Faserverbundwerkstoff, die zwei Endabschnitte und dazwischen angeordnete Windungsabschnitte aufweist, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung derselben.The The invention relates to a spring made of a fiber composite, the two end portions and interposed Windungsabschnitte and a method and an apparatus for producing the same the same.
Federn sind als Konstruktionselemente des Maschinenbaus allgemein bekannt. So gibt es beispielsweise Blattfedern, Tellerfedern, Schraubenfedern oder Spiralfedern, die im Hinblick auf die ihnen zugeteilte Aufgabe in unterschiedlicher Geometrien, Abmessungen und Eigenschaften, beispielsweise als Zugfeder, als Druckfeder oder als Drehfeder, verwendet werden. Derartige Federn sind üblicherweise aus einem Federstahl hergestellt, welcher der Feder eine je nach Auslegung und Abmessung unterschiedliche Federkraft verleiht. Wenngleich derartige Stahl-Federn eine Reihe von Vorteilen aufweisen, so sind diese für einige Anwendungsfälle weniger gut geeignet. Insbesondere bei vergleichsweise großen Federn macht sich deren Gewicht nachteilig bemerkbar. So ist im modernen Fahrzeugbau der Bedarf für Federn entstanden, welche die gleichen oder bessere Eigenschaften als Stahl-Federn haben, aber dennoch leicht sind.feathers are well known as structural elements of mechanical engineering. For example, there are leaf springs, disc springs, coil springs or coil springs, in relation to their assigned task in different geometries, dimensions and properties, for example as a tension spring, as a compression spring or as a torsion spring, be used. Such springs are usually made of one Made of spring steel, which of the spring depending on the design and dimension gives different spring force. Although such Steel springs have a number of advantages, so these are for some applications less well suited. Especially with comparatively large springs makes up their weight disadvantageous noticeable. So is the need in modern vehicle construction originated for feathers, which are the same or better Have properties as steel springs, yet are lightweight.
Vor
diesem Hintergrund ist aus der
Um eine solche kohlenstofffaserverstärkte Schraubenfeder herzustellen ist gemäß dem aus dieser Druckschrift bekannten Verfahren vorgesehen, dass man eine aus Kohlenstoff-Fasern bestehende Litze, in der Fasern in einem Winkel von etwas plus oder minus 30° bis plus oder minus 60° zur Litzenachse geflochten sind, mit einem als im wesentlichen geschlossenes, zusammenhängendes Einbettungsmaterial dienenden nicht erstarrten Harz tränkt, die so getränkte Litze in ein Nut wickelt, die sich schraubenförmig längs der Oberfläche eines zylindrischen Dorns erstreckt, und hierdurch dem mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Schraubenfederverbundmaterial die Schraubenform verleiht, anschließend das als Einbettungsmaterial der Schraubenfeder dienendes Harz zum Erstarren bringt, und schließlich die feste Feder vom Dorn abnimmt.Around to produce such a carbon fiber reinforced coil spring is according to known from this document Method provided that one of carbon fiber strand, in the fibers at an angle of something plus or minus 30 ° to plus or minus 60 ° braided to the strand axis, with one as essentially closed, coherent Impregnating resin which does not solidify, the so-so-absorbed strand of wire wound into a groove, which is helical along the surface of a cylindrical mandrel extends, and thereby reinforced with carbon fibers Coil spring composite gives the helical shape, then the serving as the embedding material of the coil spring resin for Freezing brings, and finally the solid spring from the thorn decreases.
Dieses Herstellverfahren wird als wenig praxisgerecht beurteilt, da insbesondere das Ausformen der erstarrten Feder von dem Dorn Schwierigkeiten bereitet. Außerdem lässt sich mit dem bekannten Herstellverfahren kein kontinuierlicher Herstellprozess verwirklichen, wodurch die Herstellkosten bei einem solchen Herstellverfahren vergleichsweise hoch sind.This Manufacturing process is judged to be less practical, since in particular the molding of the solidified spring from the mandrel is difficult. In addition, can be with the known manufacturing process do not realize a continuous manufacturing process, whereby the Manufacturing costs in such a manufacturing process comparatively are high.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Feder aus einem Faserverbundwerkstoff vorzuschlagen, mit denen Federn aus einem Faserverbundwerkstoff kontinuierlich und kostengünstig herstellbar sind. Zudem soll eine solche Feder hinsichtlich ihres Aufbaus beschrieben werden.In front In this background, the invention is based on the object Method and device for producing a spring from a To propose fiber composite material with which springs from a Fiber composite material continuously and cost-effectively can be produced. In addition, such a spring in terms of their Structure to be described.
Die Lösung dieser Aufgaben ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 15 und 24 beschrieben, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen in den jeweils zugeordneten Unteransprüchen definiert sind.The Solution of these tasks is in the independent Claims 1, 15 and 24 described while advantageous Embodiments and developments in the respectively associated Subclaims are defined.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich eine Feder aus einem Faserverbundmaterial durch ein mäanderförmiges Falten bzw. Formen eines kontinuierlich einer Fertigungsvorrichtung zugeführten Stranges aus Prepreg-Material herstellen lässt, wobei das Prepreg-Material bekanntermaßen aus Kunstfasern besteht, welche in einer nicht erstarrten Kunstharzmatrix eingebettet sind. Eine darauf aufbauende Erkenntnis besteht darin, dass die ein zelnen, durch das geschilderte Falten des Prepreg-Materials entstandenen Windungsabschnitte einer solchen Feder jeweils sequentiell nacheinander Aushärten müssen, bevor der nächste Windungsabschnitt durch Falten hergestellt und ausgehärtet wird. Eine zentrale Bohrung oder Öffnung in der fertig gestellten Feder lässt sich gemäß einer weiteren Erkenntnis durch ein Ablegen von mehreren Prepreg-Lagen vertikal übereinander erzeugen, die wechselweise einem Sinus- bzw. Kosinus-Kurvenverlauf folgen.Of the Invention is based on the finding that a spring a fiber composite material by a meandering Folding or forming a continuous manufacturing device supplied strand of prepreg material can be produced, the prepreg material is known to be made of synthetic fibers which is embedded in a non-solidified resin matrix are. A knowledge based on this is that the individual, caused by the described folding of the prepreg material Winding sections of such a spring in each case sequentially curing successively have to go through before the next turn section Wrinkles are made and cured. A central Drill hole or opening in the finished spring according to another knowledge by a Laying several prepreg layers vertically one above the other generate alternately a sine or cosine curve consequences.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 weist eine erfindungsgemäße Feder aus einem Faserverbundwerkstoff daher zwei Endabschnitte und dazwischen angeordnete Windungsabschnitte auf, wobei die Endabschnitte und die Windungsabschnitte über Umlenkabschnitte einstückig miteinander verbunden sind, und bei der alle genannten Abschnitte aus wechselweise übereinander gelegten, geometrisch unterschiedlich geformten und mäanderförmig gefalteten Lagen eines Faserverbundwerkstoffes bestehen.According to the Features of claim 1 has an inventive Spring made of a fiber composite material therefore two end sections and in between arranged Windungsabschnitte, wherein the end portions and the Windungsabschnitte integrally via deflecting sections connected to each other, and at the all mentioned sections off alternately superimposed, geometrically different shaped and meandering folded layers of a Consist of fiber composite material.
Eine solche Feder weist, grob betrachtet, in etwa die gleiche Form auf wie ein entlang seiner Längserstreckung mäanderförmig gefaltetes, rechteckiges Stück Papier, wobei die gefalteten Abschnitte alle von einem zentralen Loch durchdrungen sind. Sie weist dennoch alle wesentlichen Eigenschaften einer Feder, insbesondere einer Druck- oder Zugfeder, auf.Roughly speaking, such a spring has approximately the same shape as a rectangular piece of paper folded meander-shaped along its longitudinal extension, the folded sections all being penetrated by a central hole. Nevertheless, it has all the essential properties of a spring, in particular a compression or tension spring on.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Faserverbundwerkstoff aus Prepreg-Lagen gebildet, welche entlang ihrer Längserstreckung sinus- oder kosinus-förmig verlaufen und wechselweise übereinander gelegt sind. Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass mehrere Schichten von sinus- oder kosinus-förmig verlaufenden Prepreg-Lagen vertikal derart übereinander gelegt sind, und dass die jeweiligen Prepreg-Lagen wechselweise dem Verlauf der gleichen Sinuskurve oder dem Verlauf der gleichen Kosinus-Kurve folgen.According to one Further development of the invention is the fiber composite material of prepreg layers formed, which along its longitudinal extent sinusoidal or cosinus-shaped and alternately on top of each other are laid. Preferably, it is provided that several layers of sinusoidal or cosine-shaped prepreg layers vertically so superimposed, and that the respective Prepreg layers alternately the course of the same sinusoid or follow the course of the same cosine curve.
Ein solchermaßen gebildeter Strang eines noch nicht abgebundenen Faserverbundmaterials weist in einer Draufsicht betrachtet entlang seiner Längs erstreckung zwei Prepreg-Hauptstränge auf, die jeweils dem Verlauf einer Sinus-Kurve bzw. einer Kosinus-Kurve folgen. Dabei wechseln die beiden Prepreg-Hauptstränge jeweils von rechts nach links und umgekehrt, wobei diese in den Überlagerungspunkten wechselweise oben oder unten liegen. Hierauf wird noch detaillierter im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel eingegangen.One thus formed strand of a not yet set Fiber composite material, viewed in a plan view along its longitudinal extension two prepreg main strands in each case the course of a sine curve or a cosine curve consequences. The two prepreg main strands change each from right to left and vice versa, these being in the overlay points alternately lying up or down. This will be more detailed in connection with an exemplary embodiment.
Bei dieser Feder ist bevorzugt vorgesehen, dass dort, wo sich Lagen des Faserverbundwerkstoffes kreuzen, die jeweiligen Umlenkabschnitte der Feder gebildet sind.at This spring is preferably provided that there, where layers of the fiber composite material, the respective deflection sections the spring are formed.
Sofern die technischen Randbedingungen es erfordern, kann gemäß einer Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Feder vorgesehen sein, dass deren Endabschnitte und Windungsabschnitte als Flächengebilde mit weitgehend planen Oberflächen und die Umlenkabschnitte gekrümmt ausgebildet sind. Durch eine solche gekrümmte, und demnach nicht scharfkantig gefaltete Ausbildung der Umlenkabschnitte werden vorteilhaft Spannungsspitzen in dem Material der fertigen Feder vermieden.Provided The technical constraints may require it, according to a Further development of a spring according to the invention is provided be that their end portions and turn sections as a sheet with largely flat surfaces and the deflection sections are formed curved. Through such a curved, and therefore not sharp folded training of Umlenkabschnitte Advantageously, stress peaks in the material of the finished Spring avoided.
Um geradflächige sowie horizontal ausgerichtete Lagerstellen der Feder auszubilden ist bevorzugt vorgesehen, dass die Endabschnitte der Feder entlang einer Querachse Ly rechtwinklig zur Längsachse Lx der Feder ausgerichtet angeordnet sind.Around straight and horizontally aligned bearings form the spring is preferably provided that the end portions the spring along a transverse axis Ly perpendicular to the longitudinal axis Lx of the spring are arranged aligned.
Abweichend davon weisen die Windungsabschnitte einen Steigungswinkel in Richtung der Längserstreckung der Feder auf, so dass diese Windungsabschnitte entsprechend der Faltung unter einem Winkel α in Bezug zu den Endabschnitten angeordnet sind, der größer als 0° und kleiner als 45° ist.deviant Of these, the winding sections have a pitch angle in the direction the longitudinal extent of the spring, so that these turns sections according to the convolution at an angle α with respect arranged to the end sections, the larger is 0 ° and less than 45 °.
Wie bereits kurz angedeutet weist eine erfindungsgemäß hergestellte Feder zwei Endabschnitte auf, die zeitlich nacheinander ausgehärtet sind. Ein weiteres Merkmal einer solchen erfindungsgemäß hergestellten Feder besteht darin, dass die Endabschnitte und die Windungsabschnitte über die Längserstreckung der Feder gesehen jeweils zeitlich nacheinander ausgehärtet sind. In Weiterentwicklung dieses Merkmals kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Endabschnitt und ein genau diesem Endabschnitt zugeordneter Umlenkabschnitt gleichzeitig ausgehärtet sind. Außerdem kann ein strukturelles Merkmal einer erfindungsgemäß hergestellten Faserverbundmaterial-Feder darin bestehen, dass die Windungsabschnitte jeweils mit einem zugeordneten Umlenkabschnitt gleichzeitig ausgehärtet sind.As already briefly indicated has a manufactured according to the invention Spring on two end portions, which cured in chronological succession are. Another feature of such produced according to the invention Spring is that the end portions and the winding sections over seen the longitudinal extent of the spring in each case in succession are cured. In further development of this feature can be provided that at least one end portion and a precise Hardened at this end portion associated deflecting simultaneously are. In addition, a structural feature of a fiber composite spring made according to the present invention may be consist in that the winding sections each with an associated Deflection section are cured simultaneously.
Abweichend hiervon kann in einer als schlechter eingeschätzten, weil diskontinuierlich hergestellten Feder vorgesehen sein, dass bei dieser Feder sowohl die Endabschnitte als auch die Umlenk- und Windungsabschnitte gleichzeitig ausgehärtet sind. Dieses gleichzeitige Aushärten kann beispielsweise nach einem Ablegen eines Abschnittes des Faserverbund-Materialstrangs auf einer gefalteten Oberfläche einer Form sowie ein anschließendes Pressen des Faserverbund-Materialstranges unter Wärmeeinwirkung erfolgen.deviant this can be considered in a worse than because be prepared discontinuously manufactured spring that at this spring both the end portions and the deflection and winding sections cured at the same time. This simultaneous curing For example, after depositing a portion of the fiber composite strand of material on a folded surface of a mold and subsequent pressing the fiber composite material strand under heat respectively.
Als weniger vorteilhaft wird die gerade beschriebene Feder sowie das zugehörige Herstellverfahren deswegen beurteilt, weil bei diesem diskontinuierlichen Herstellverfahren die Fasern des Faserverbund-Materialstranges nicht unter einer Zugbelastung ausgehärtet werden können. Hierdurch sind die Fasern des Faserverbund-Materialstranges der Feder zu wenig gerichtet geordnet, so dass nicht optimale Eigenschaften einer solchen Feder erwartet werden.When less advantageous is the spring just described as well as the associated manufacturing method therefore judged because in this discontinuous manufacturing process, the fibers of the fiber composite material strand can not be cured under a tensile load. As a result, the fibers of the fiber composite material strand of the Spring arranged too little directed, so not optimal properties be expected of such a spring.
Daher ist bei einer nach einem bevorzugten Herstellverfahren produzierten Faserverbundmaterial-Feder vorgesehen, dass deren einander zugeordneten Abschnitte, nämlich jeweils Endabschnitt und Umlenkabschnitt sowie Windungsabschnitt und Umlenkabschnitt, unter einer Zugbelastung der Fasern des Faserverbundwerkstoffs ausgehärtet sind. Diese Zugbelastung ist zur Erhaltung des Sinus- bzw. Kosinus-Verlaufs der Prepreg-Lagen nicht sonderlich hoch, sie reicht aber aus, damit die Fasern der Feder im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, wodurch auch ein optimales Verhältnis von Faseranteil zu Harzanteil in der fertigen Feder erzeugt ist. Dies liegt unter anderem daran, dass sich das Kunstharz bei parallel zueinander ausgerichteten Fasern besonders gut zwischen den Fasern verteilen sowie überschüssiges Kunstharz leichter abfließen kann.Therefore is at one produced by a preferred manufacturing process Fiber composite spring provided that their associated Sections, namely each end portion and deflection section as well as winding section and deflection section, under a tensile load the fibers of the fiber composite material are cured. This tensile load is to maintain the sine or cosine curve the prepreg layers are not very high, but it is enough, so the fibers of the spring are oriented substantially parallel to one another, which also gives an optimal ratio of fiber content to Resin content is generated in the finished spring. This is among other things because the synthetic resin is aligned parallel to each other Distribute fibers between the fibers particularly well as well as excess Synthetic resin can drain easily.
Damit eine erfindungsgemäß hergestellte Faserverbundmaterial-Feder gewünschte mechanische Eigenschaften hat kann vorgesehen sein, dass die Materialdicke der Umlenkabschnitte größer als die Materialdicke der Endabschnitte und der Windungsabschnitte ist.In order for a fiber composite spring produced according to the invention to have desired mechanical properties, it can be provided that the material thickness of the deflection sections is greater than the material thickness of the end portions and the turn portions is.
Noch wichtiger ist die Einstellung des Faservolumenanteils in den jeweiligen Federquerschnitten, also in den Endabschnitten, den Windungsabschnitten und den Umlenkabschnitten der Feder, wodurch die dort vorliegenden Federeigenschaften bestimmt sind. Der Faservolumenanteil ist dabei der prozentuale Anteil der Fasern in einem jeweiligen Bauteilquerschnitt des Faserverbundwerkstoffes. Beträgt beispielsweise der Anteil des Kunstharzes in einem solchen Bauteilquerschnitt 34%, so beträgt der Faservolumenanteil an dieser Stelle 66%. Je höher der Faservolumenanteil in einem bestimmten Federabschnitt ist, desto steifer ist die Faserverbundfeder an dieser Stelle. Andererseits ist dieser Federabschnitt umso weicher eingestellt, je geringer der Anteil der Fasern in dem betrachteten Bauteilquerschnitt ist.Yet more important is the adjustment of the fiber volume fraction in the respective Spring cross sections, ie in the end sections, the Windungsabschnitten and the deflecting portions of the spring, whereby the present there Spring properties are determined. The fiber volume fraction is included the percentage of fibers in each component cross-section of the fiber composite material. If, for example, the Proportion of the synthetic resin in such a component cross-section 34%, so the fiber volume fraction at this point is 66%. The higher the fiber volume fraction in a particular spring section is, the stiffer the fiber composite spring is at this point. on the other hand this spring section is set the softer, the lower the proportion of fibers in the considered component cross-section is.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Faservolumenanteil in den Umlenkabschnitten größer ist als in den Endabschnitten und in den Windungsabschnitten, so dass in den dynamisch besonders stark beanspruchten Umlenkabschnitten der Feder eine erhöhte Steifigkeit realisiert ist.So For example, it may be provided that the fiber volume fraction is greater in the Umlenkabschnitten than in the End sections and in the winding sections, so that in the dynamic Particularly stressed deflecting portions of the spring increased Stiffness is realized.
Bei einer anderen Auslegung kann vorgesehen sein, dass der Faservolumenanteil in den Umlenkabschnitten kleiner ist als in den Endabschnitten und in den Windungsabschnitten, so dass in den Umlenkabschnitten der Feder eine geringere Bauteilsteifigkeit vorliegt.at another interpretation may be provided that the fiber volume fraction is smaller in the Umlenkabschnitten than in the end sections and in the Windungsabschnitten, so that in the deflection sections of the Spring lower component stiffness is present.
Bei einer weiteren Auslegung kann vorgesehen sein, dass der Faservolumenanteil in den Umlenkabschnitten gleich ist wie in den Endabschnitten und in den Windungsabschnitten, so dass überall in der Faserverbundfeder die gleiche Bauteilsteifigkeit vorliegt.at a further design can be provided that the fiber volume fraction is the same in the Umlenkabschnitten as in the end sections and in the Windungsabschnitten, so that everywhere in the fiber composite spring the same component stiffness is present.
Schließlich können die Umlenkabschnitte, die Endabschnitte und die Windungsabschnitte der Feder mit jeweils unterschiedlichen Faservolumenanteilen ausgebildet sein.After all can the deflecting sections, the end sections and the Winding sections of the spring, each with different fiber volume fractions be educated.
Die jeweilige Einstellung des Faservolumenanteils lässt sich durch ein mehr oder weniger starkes Herauspressen von noch nicht abgebundenem Kunstharz aus den Abschnitten der Faserverbundmaterial-Bahn erreichen.The each adjustment of the fiber volume fraction can be by a more or less strong pressing out yet set resin from the sections of fiber composite web to reach.
Ein weiteres Merkmal einer erfindungsgemäß hergestellten Feder besteht darin, dass die Umfangskontur der Feder an jedem Endabschnitt und Windungsabschnitt im Bereich der Umlenkabschnitte geradlinig und in den dazwischen liegenden Bereichen der End- und Windungsabschnitte kreisbogenförmig ausgebildet ist. Die Geradlinigkeit der Umlenkabschnitte ist durch ein geradliniges Umlegen oder Falten des Faserverbund-Materialstranges erzeugt, während die kreisbogenförmige Geometrie der anderen Umfangsabschnitte durch den sinus- bzw. kosinusförmigen Verlauf der Prepreg-Lagen erzeugt wurde.One Another feature of a manufactured according to the invention Spring is that the circumferential contour of the spring at each end section and winding section in the region of the deflection straight and in the intermediate regions of the end and turn sections is formed circular arc. The straightforwardness of Turning sections is by a straight folding or folding of the fiber composite material strand generated while the circular arc-shaped geometry of the other peripheral sections through the sinusoidal or cosinusoidal course of the prepreg layers was generated.
Weiter besteht ein weiteres vorteilhaftes Merkmal einer erfindungsgemäß ausgebildeten Feder darin, dass diese aufgrund des gewählten Sinus- bzw. Kosinus-Verlaufs und der gewählten Breite der Prepreg-Lagen quer zu deren Längserstreckung nach ihrem Aushärten eine zentrale Bohrung oder Ausnehmung aufweist, welche alle Endabschnitte und Windungsabschnitte der Feder durchdringt.Further there is a further advantageous feature of an inventively designed Spring in that this due to the selected sine or Cosine gradient and the selected width of the prepreg layers transverse to their longitudinal extent after their hardening has a central bore or recess, which all end portions and Winding sections of the spring penetrates.
Als Grundmaterialien für die Prepreg-Lagen kommen Fasern aus Glas, Kohlenstoff oder beispielsweise Aramid in Frage. Zur Erzeugung der Harzmat rix der Prepreg-Lagen werden vorzugsweise duroplastische Harze verwendet, die mit Härtern und Beschleunigern gemischt sind.When Base materials for the prepreg layers come from fibers Glass, carbon or, for example aramid in question. To produce The resin matrix of the prepreg sheets is preferably thermoset Resins used mixed with hardeners and accelerators are.
Weiter sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Faserverbundmaterial-Feder vor, welcher folgende Verfahrensschritt aufweist:Further the invention provides a method for producing a novel Fiber composite spring before, which is the following process step having:
S1: Zuführen von wenigstens zwei Prepreg-Bahnen zu einer Transportvorrichtung.S1: Feeding at least two prepreg webs to a transport device.
S2: Wechselweises Ablegen der wenigstens zwei Prepreg-Bahnen auf der Transportvorrichtung derart, dass eine Prepreg-Bahn einer Sinus-Kurve und die andere Prepreg-Bahn einer Kosinus-Kurve folgt, die eine gemeinsame, nicht ausgehärtete Faserverbundwerkstoff-Bahn bilden.S2: Alternate deposition of at least two prepreg webs on the Transport device such that a prepreg sheet of a sinusoidal curve and the other prepreg path follows a cosine curve, which is a common, form uncured fiber composite web.
S3: Zuführen der nicht ausgehärteten Faserverbundwerkstoff-Bahn zu einem Heizgerät und Einziehen der Faserverbundwerkstoff-Bahn in einen Spalt zwischen zwei Heizwalzen, die in Förderrichtung gesehen hinter dem Heizgerät angeordnet sind.S3: Feeding the uncured fiber composite web to a heater and retracting the fiber composite web in a gap between two heat rollers, in the conveying direction seen behind the heater are arranged.
S4: Umlenken der Faserverbundwerkstoff-Bahn um eine der beiden Heizwalzen um weniger als 181°.S4: Redirecting the fiber composite web around one of the two heating rollers less than 181 °.
S5: Stopp des Transports der Faserverbundwerkstoff-Bahn.S5: Stop the transport of the fiber composite web.
S6: Betätigen des Heizgerätes sowie der Heizung der von der Faserverbundwerkstoff-Bahn teilweise umschlungenen Heizwalze.S6: Actuation of the heater and the heating of the from the fiber composite web partially wrapped heat roller.
S7: Aushärten eines Endabschnitts oder eines Windungsabschnitts unter dem Heizgerät und gleichzeitiges Aushärten eines Umlenkabschnitts auf der Heizwalze.S7: Curing an end portion or a winding portion under the heater and simultaneous curing a deflecting section on the heating roller.
S8: Weitertransport des ausgehärteten Endabschnitts oder des ausgehärteten Windungsabschnitts durch den Spalt der beiden Heizwalzen und gleichzeitiger Weitertransport des ausgehärteten Umlenkabschnitts durch Abheben des Umlenkabschnitts von der Heizwalze.S8: further transport of the hardened En dabschnitts or the cured Windungsabschnitts through the gap of the two heating rollers and simultaneous further transport of the hardened deflection section by lifting the deflection of the heating roller.
S9: Zuführen und Umlenken eines noch nicht ausgehärteten Abschnitts der Faserverbundwerkstoff-Bahn um die gegenüberliegende Heizwalze um weniger als 181°.S9: Feeding and diverting a not yet cured Section of the fiber composite web around the opposite Heating roller less than 181 °.
S10: Weiter mit Schritt S5 bis Schritt S9, solange, bis die gewünschte Länge der Feder erreicht ist.S10: Go to step S5 to step S9 until the desired one Length of the spring is reached.
S11: Abtrennen der Feder bei Erreichen einer bestimmten Länge.S11: Separating the spring when reaching a certain length.
S12: Abtransport der Feder und weiter mit Schritt S6.S12: Remove the spring and continue with step S6.
Mit diesem Herstellverfahren lassen sich erfindungsgemäß ausgebildete Federn aus einem Faserverbundwerkstoff in einem kontinuierlichen Herstellprozess sehr kostengünstig produzieren. Das Aushärten der Faserverbundmaterial-Bahn unter dem Heizgerät und auf den Heizwalzen erfolgt zur Erzielung kurzer Taktzeiten vorzugsweise nur solange, bis diese Abschnitte der Feder ausreichend steif sind, um ihre dann vorliegende geometrische Form beizubehalten. Die in diesen Federabschnitten enthaltende Restwärme dient im weiteren Verfahrensablauf zum vollständigen Aushärten derselben.With This manufacturing method can be inventively formed Springs made of a fiber composite material in a continuous Produce production process very cost-effectively. The curing the fiber composite sheet under the heater and on the heating rollers is preferably to achieve short cycle times only until these sections of spring are sufficiently stiff to to maintain their existing geometric shape. The in these Residual heat containing spring sections is used in the following Procedure for complete curing of the same.
Gemäß einer Weiterbildung dieses Herstellverfahrens ist vorgesehen, dass unter dem Heizgerät ein planer oder nur gering gekrümmter Abschnitt der Faserverbundmaterial-Bahn zu einem Endabschnitt oder zu einem Windungsabschnitt aushärtet wird. Wenngleich dieses Herstellmerkmal bevorzugt wird, so ist es nicht ausgeschlossen, die End- und Windungsabschnitte mehr oder weniger stark gekrümmt auszuhärten, sofern die gewünschte Geometrie der herzustellenden Feder dies erfordert.According to one Further development of this manufacturing process is provided that under the heater a planner or only slightly curved Section of the fiber composite web to an end portion or is hardened to a winding section. Although this Production feature is preferred, so it is not excluded harden the end and turn sections more or less curved, provided the desired geometry of the spring to be produced this requires.
Um zu Beginn der Produktion von erfindungsgemäßen Federn einen Federabschnitt vorliegend zu haben, mit dem die zukünftige Feder unter Zugspannung gehalten und mit einem noch nicht ausgehärteten Abschnitt leicht um die jeweilige Heizwalze geschlungen wird, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass zu Beginn der Herstellverfahrens ausschließlich unter dem Heizgerät und vor den Heizwalzen ein planer oder nur gering gekrümmter Abschnitt der Faserverbundmaterial-Bahn zu einem Endabschnitt aushärtet wird.Around at the beginning of the production of inventive Springs to have a spring section in the present, with the future Spring held under tension and with a not yet cured Section is easily wrapped around the respective heating roller is provided according to a further embodiment, that at the beginning of the manufacturing process exclusively under the heater and before the heating rollers a planner or only slightly curved portion of the fiber composite web is cured to an end portion.
Außerdem ist vorgesehen, dass das Umlenken und ein Anpressen der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn auf der jeweils zugeordneten Heizwalze mit Hilfe wenigstens einer Anpress- und Umlenkwalze erfolgt. Durch diesen Verfahrensschritt wird erreicht, dass die Faserverbundmaterial-Bahn glatt und vollflächig auf der jeweiligen Heizwalze aufliegt sowie unter dem Einfluss einer Zugspannung unter dem Heizgerät und der auf der Heizwalze aushärten kann.Furthermore is provided that the deflection and a pressing of not yet cured fiber composite web on the respectively associated heating roller with the help of at least one pressure and deflection roller he follows. By this method step is achieved that the Fiber composite web smooth and full surface on the respective heating roller rests and under the influence of a tensile stress under the heater and harden on the heating roller can.
Um eine Umfangsgeometrie der herzustellenden Feder erzeugen zu können, die weitgehend der einer konventionellen Schraubenfeder aus einem Federstahl entspricht und um einen gewünschten Faservolumenanteil in bestimmten Querschnitten der Feder einzustellen, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Führung und Formgebung der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn vor dem Heizgerät und/oder auf den Heizwalzen so erfolgt, dass die Feder eine Umfangsgeometrie mit an den Umlenkabschnitten geraden Verlauf und zwischen diesen Umlenkabschnitten einen kreisabschnittförmigen Verlauf aufweist. Der sinus- bzw. kosinusförmige Verlauf der Prepreg-Lagen bietet hierzu die besten Voraussetzungen.Around to generate a circumferential geometry of the spring to be produced, which is largely that of a conventional coil spring made of a spring steel corresponds and to a desired fiber volume fraction to adjust in certain cross sections of the spring is according to a further embodiment provided that the leadership and Shaping the uncured fiber composite web before the heater and / or on the heating rollers so, that the spring has a circumferential geometry with at the deflection sections straight course and between these deflecting a circular segment-shaped History has. The sinusoidal or cosinusoidal course The prepreg layers offers the best conditions for this.
In diesem Zusammenhang wird es daher als vorteilhaft betrachtet, wenn das Herstellverfahren so betrieben wird, dass die Führung und Formgebung sowie die Einstellung des Faservolumenanteils der noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn vor dem Heizgerät und/oder auf den Heizwalzen so erfolgt, dass die Materialdicke der Umlenkabschnitte größer ist als die Materialdicke der Endabschnitte sowie der Windungsabschnitte.In In this context, it is therefore considered advantageous if the manufacturing process is operated so that the leadership and shaping as well as the adjustment of the fiber volume fraction of the still uncured fiber composite web in front of the heater and / or on the heating rollers so that the material thickness of the deflection sections is greater than the material thickness of the end sections as well as the winding sections.
In Weiterbildung dieses zuletzt genannten Verfahrensschrittes ist bevorzugt vorgesehen, dass die noch nicht ausgehärteten Faserverbundmaterial-Bahn vor dem Heizgerät und/oder auf den Heizwalzen derartig quer zu ihrer Längserstreckung zusammengedrückt wird, dass die Materialdicke der Umlenkabschnitte größer ist als die Materialdicke der Endabschnitte sowie der Windungsabschnitte.In Further development of this last-mentioned method step is preferred provided that the not yet cured fiber composite web before the heater and / or on the heating rollers in such a way compressed transversely to its longitudinal extent is that the material thickness of the deflection sections larger is the material thickness of the end portions as well as the turns portions.
Die Feder wird zur Einstellung der konkreten Federeigenschaften von Abschnitten der Feder so hergestellt, dass der Faservolumenanteil der jeweiligen Umlenkabschnitte, Endabschnitte und Windungsabschnitte kleiner, gleich oder größer ist als der Faservolumenanteil der jeweils benachbarten Umlenkabschnitte, Endabschnitte und Windungsabschnitte. Die Einstellung des jeweiligen Faservolumenanteils wird vorzugsweise durch ein abschnittweises Herauspressen von noch nicht abgebundenem Kunstharz aus der zugeführten Faserverbundmaterial-Bahn erreicht.The Spring is used to adjust the concrete spring characteristics of Sections of the spring are made so that the fiber volume fraction the respective deflection sections, end sections and turn sections smaller, equal to or greater than the fiber volume fraction the respectively adjacent deflection sections, end sections and turn sections. The adjustment of the respective fiber volume fraction is preferred by a sectionwise pressing out of not yet set off Resin from the supplied fiber composite web reached.
Zur Einstellung und Fixierung des Steigungswinkels α der Windungsabschnitte der Feder kann gemäß einem weiteren Verfahrensschritt vorgesehen sein, dass der Steigungswinkel α der Windungsabschnitte durch ein Verschwenken der Heizwalzen um einen bestimmten Verschwenkweg über oder unter diejenige Ebene erfolgt, in der die Faserverbundmaterial-Bahn unter dem Heizgerät liegt.To set and fix the pitch angle α of the winding sections of the spring can be provided according to a further method step that the pitch angle α of Windungsab cuts by pivoting the heating rollers to a certain Verschwenkweg above or below the plane in which the fiber composite material web is below the heater.
Um das beschriebene Herstellverfahren durchführen zu können ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Feder aus einem Faserverbundmaterial notwenig, die nachfolgend kurz beschrieben wird. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch folgende Vorrichtungsbestandteile:
- – eine Zuführzone zum Zuführen von wenigstens zwei Prepreg-Bahnen zu einer Transportvorrichtung,
- – ein Ablege- und/oder Formwerkwerkzeug zum Ablegen und Formen der wenigstens zwei Prepreg-Bahnen auf der Transportvorrichtung, mit dem die Prepreg-Bahnen wechselweise dem Verlauf einer Sinus-Kurve oder dem Verlauf einer Kosinus-Kurve folgend zur Bildung einer gemeinsamen, nicht ausgehärteten Faserverbundwerkstoff-Bahn vertikal übereinander abgelegt werden,
- – eine in Transportrichtung folgende und im Wesentlichen geradflächige Heizzone mit einem Heizgerät zum Formen und Aushärten von geradflächigen Endabschnitten und Windungsabschnitten der Feder,
- – eine in Transportrichtung nach der Heizzone folgende Umlenkzone zum Formen und Aushärten von gekrümmten Umlenkabschnitten der Feder,
- – zwei in der Heizzone gegenüberliegend angeordnete Heizwalzen, die einen Spalt zur Aufnahme der Faserverbundwerkstoff-Bahn zwischen sich bilden,
- – ein Anpress- und Umlenkmittel zum wechselseitigen Auflegen und Anpressen von noch nicht ausgehärteten Abschnitten der Faserverbundwerkstoff-Bahn an eine der beiden Heizwalzen,
- – und eine Trennvorrichtung zum Abtrennen von Federn vorbestimmter Länge von dem kontinuierlich hergestellten Verlauf der Feder.
- A feed zone for feeding at least two prepreg webs to a transport device,
- A laying and / or forming tool for depositing and forming the at least two prepreg webs on the transport device, with which the prepreg webs alternately following the course of a sinusoidal curve or the course of a cosine curve to form a common uncured Fiber composite web are placed vertically on top of each other,
- A heating zone following in the direction of transport and essentially flat, with a heating device for shaping and hardening straight-sided end sections and turn sections of the spring,
- A deflection zone following the heating zone in the direction of transport for shaping and curing curved deflecting sections of the spring,
- Two heating rolls arranged opposite one another in the heating zone, which form a gap between them for receiving the fiber-composite web,
- A pressing and deflecting means for mutual laying on and pressing of not yet cured sections of the fiber composite web to one of the two heating rollers,
- - And a separator for separating springs of predetermined length from the continuously produced course of the spring.
Das Anpress- und Umlenkmittel kann durch eine oder mehrere Walzen oder Dorne bzw. Stäbe ausgebildet sein. Zudem kann gemäß einer Abwandlung vorgesehen sein, dass unter dem Heizgerät gekrümmte End- und Windungsabschnitte herstellbar sind. Da der Durchmesser der Heizwalzen den Umlenkradius der Umlenkabschnitte der Faserverbund-Feder bestimmt, sind diese vorzugsweise auswechselbar ausgebildet, um so unterschiedliche Feder-Chargen herstellen zu können.The Pressing and deflection means can by one or more rollers or Mandrels or rods to be formed. In addition, according to a Variation be provided that under the heater curved End and turn sections can be produced. Because the diameter the heating rollers the deflection radius of the deflection of the fiber composite spring determined, these are preferably designed interchangeable to to produce so different spring batches.
Außerdem wird es als sehr vorteilhaft beurteilt, wenn in dieser Herstellvorrichtung eine Spannvorrichtung vorhanden ist, mit der im Zusammenwirken mit der Vorschubkraft der beiden angetriebenen Heizwalzen eine Zugkraft auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn während deren Aushärten erzeugbar ist.Furthermore It is judged to be very advantageous when in this manufacturing device a tensioning device is provided, in cooperation with the feed force of the two driven heating rollers a tensile force on the fiber composite web during its curing can be generated.
Weiter ist bei dieser Herstellvorrichtung bevorzugt vorgesehen, dass im Bereich der Zuführzone und/oder unmittelbar vor den beiden Heizwalzen und/oder auf den beiden Heizwalzen Ablege- und/oder Formwerkzeugzeuge an die noch nicht ausgehärtete Faserverbundwerkstoff-Bahn ansetzbar sind, mit denen sich die Umfangsgeometrie und/oder der Faservolumenanteil von Abschnitten der herzustellenden Feder formen lässt.Further is preferably provided in this manufacturing device that in Area of the feed zone and / or immediately before the two Heating rollers and / or on the two heating rollers laying and / or mold tools to the not yet cured fiber composite web can be applied, with which the circumferential geometry and / or the Form fiber volume fraction of sections of the spring to be produced leaves.
Hierzu können die Oberflächen der beiden Heizwalzen selbst als Formwerkzeuge zur Formung und/oder Einstellung des Faservolumenanteils der noch nicht ausgehärteten Faserverbundwerkstoff-Bahn ausgebildet sein, so dass sich unterschiedliche Umfangsgeometrien und Federeigenschaften reproduzierbar herbeiführen lassen.For this can the surfaces of the two heating rollers themselves as molding tools for shaping and / or adjusting the fiber volume fraction the not yet cured fiber composite web be formed, so that different circumferential geometries and cause spring properties reproducible.
So können die Oberflächen der beiden Heizwalzen und/oder die genannten Ablege- und/oder Formwerkzeugzeug im Bereich der Zuführzone derartig ausgebildet sein, dass mit ihnen die Faserverbundwerkstoff-Bahn im Bereich der späteren Umlenkabschnitte quer zu deren Längserstreckung in ihrer Breite reduzierbar und in ihre Materialdicke vergrößerbar ist, oder dass der Faservolumenanteil in den Umlenkabschnitten gegenüber den benachbarten Windungsabschnitten vergrößert ist.So may be the surfaces of the two heating rollers and / or the said laying and / or mold tools in the region of the feed zone be formed such that with them the fiber composite web in the area of the later deflection sections transversely to their Longitudinal extent reducible in their width and in their Material thickness is increased, or that the Fiber volume fraction in the deflecting sections compared to the adjacent Windungsabschnitten is increased.
Schließlich weist die Herstellvorrichtung bevorzugt eine Schwenkvorrichtung auf, mit der die Heizwalzen über und unter diejenige Ebene verschwenkbar sind, in der die Faserverbundmaterial-Bahn unter dem Heizgerät liegt bzw. welche durch das Transportband der Transportvorrichtung aufgespannt ist. Durch ein solches Verschwenken der Heizwalzen lässt sich der Steigungswinkel α einstellen, unter dem die Windungsabschnitte quer zur Längserstreckung der Feder angestellt sind.After all the manufacturing device preferably has a pivoting device on, with the heating rollers above and below that level are pivotable, in which the fiber composite web under the Heater is or which by the conveyor belt Transport device is clamped. By such pivoting the heating rollers can adjust the pitch angle α, below which the winding sections transverse to the longitudinal extent the spring are employed.
Nachfolgend werden eine erfindungsgemäß erzeugte Faserverbund-Feder, eine Herstellvorrichtung dafür sowie die zur Herstellung der Feder notwendigen Verfahrensschritte an Ausführungsbeispielen mit Hilfe einer Zeichnung erläutert. In dieser zeigtfollowing be a fiber composite spring produced according to the invention, a manufacturing apparatus therefor as well as for the production the spring necessary process steps on embodiments explained with the help of a drawing. In this shows
Die
Demnach
verfügt die Feder
Um
im Bereich der Umlenkabschnitte
Sofern
der Faservolumenanteil im Vergleich zu den benachbarten Endabschnitten
Sofern
der Faservolumenanteil im Bereich der Umlenkabschnitte
Durch
das erfindungsgemäße Herstellverfahren und hierbei
insbesondere durch die wechselweise sich kreuzenden sinus- bzw.
kosinusförmigen Prepreg-Lagen
In
Die
Faserverbundwerkstoff-Bahn
Die
Transportvorrichtung
In
der Heizzone H1 ist wie schon erwähnt das Heizgerät
Das
freie Ende
In
einer Umlenkzone U, die den Standort der beiden Heizwalzen W1, W2
mit einschließt, sind zwei Anpress- und Umlenkwalzen W3
und W4 angeordnet, die wechselweise arbeiten und mit deren Hilfe
jeweils ein nicht ausgehärteter Abschnitt
Die
beiden Heizwalzen W1 und W2 können ständig heizend
betrieben sein, während das Heizgerät
Wenn
der unter dem Heizgerät
Durch
das wechselweise Anlegen des noch nicht ausgehärteten Abschnitts
der Faserverbundwerkstoff-Bahn
Die
in
Die
Zu
Beginn des Herstellprozesses werden zwei Prepreg-Bahnen
Anschließend
wird die Faserverbundmaterial-Bahn
Die
Einstellung des Faservolumenanteils von Abschnitten der Feder
In
Wie
In
In
In
- 11
- Federfeather
- 1'1'
- Feder während ihrer Produktionfeather during their production
- 22
- Oberer Endabschnitt der FederOberer End portion of the spring
- 33
- Umlenkungsabschnittdeflection section
- 3a3a
- Umfangsabschnitt der Federperipheral portion the feather
- 3b3b
- Umfangsabschnitt der Federperipheral portion the feather
- 3c3c
- Umfangsabschnitt der Federperipheral portion the feather
- 44
- Windungsabschnittturn section
- 55
- Windungsabschnittturn section
- 66
- Unterer Endabschnitt der Federlower End portion of the spring
- 77
- Axialbohrung in der Federaxial bore in the spring
- 88th
- Faserverbundwerkstoff-BahnFiber composite material-Bahn
- 99
- Spalt zwischen den zwei Heizwalzengap between the two heating rollers
- 1010
- Heizgerätheater
- 1111
-
Noch
nicht ausgehärteter Abschnitt der Bahn
8 Unhardened section of the track8th - 1212
-
Oberfläche
des Endabschnitts
2 Surface of the end section2 - 12'12 '
-
Oberfläche
des Endabschnitts
6 Surface of the end section6 - 1313
- Freies Ende der Faserverbundwerkstoff-BahnFree End of the fiber composite web
- 1414
- Prepreg-Bahn, Prepreg-LagePrepreg sheet Prepreg layer
- 1515
- Prepreg-Bahn, Prepreg-LagePrepreg sheet Prepreg layer
- 1616
- Prepreg-RollePrepreg role
- 1717
- Prepreg-RollePrepreg role
- 1818
- Trenn- und Isolationsmittel-Bahnseparating and insulating agent web
- 1919
- Transportvorrichtungtransport device
- 2020
- Transportbandconveyor belt
- 2121
- Transportrichtungtransport direction
- 2222
- Rolle der Transportvorrichtungrole the transport device
- 2323
- Trenn- und Isolationsmittel-Rolleseparating and insulation agent role
- 2424
- Trenn- und Isolationsmittel-Rolleseparating and insulation agent role
- 2525
- Spannrolleidler
- 2626
- Trennmittelrelease agent
- 2727
- Trennmittelrelease agent
- 2828
- Ablegewerkzeug, FormwerkzeugDepositing tool mold
- 2929
- Trennvorrichtungseparating device
- 3030
- Bohrerdrill
- 3131
- Bewegungsrichtung des Bohrersmovement direction of the drill
- AA
- Stirnseite der Federfront the feather
- BB
- Seitenansicht der Federsideview the feather
- Fgfg
-
Gewichtskraft
der Spannrolle
25 Weight of the tension pulley25 - Fpfp
- Presskraft der Heizrollen W1, W2pressing force the heating rollers W1, W2
- FxFx
-
Zugkraft
auf die Faserverbundwerkstoff-Bahn
8 Tensile force on the fiber composite web8th - H1H1
- Heizzone unter dem Heizgerätheating zone under the heater
- LL
- Länge der Federlength the feather
- LxLx
- Längsachse der Federlongitudinal axis the feather
- LyLy
- Querachse der Federtransverse axis the feather
- UU
- Umlenkzonedeflection
- S1–S12S1-S12
- Verfahrenschrittesteps
- V(a)V (a)
- Schwenkweg der Heizwalzen W1, W2pivoting the heating rollers W1, W2
- W1W1
- Heizwalzeheating roller
- W2W2
- Heizwalzeheating roller
- W3W3
- Anpress- und Umlenkwalze, Anpress- und Umlenkmittelcontact pressure and guide roller, contact and deflection
- W4W4
- Anpress- und Umlenkwalze, Anpress- und Umlenkmittelcontact pressure and guide roller, contact and deflection
- ZZ
- Zuführzonefeed zone
- αα
-
Steigung
eines Windungsabschnitts
4 ,5 Gradient of a meandering section4 .5
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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