DE3437375A1

DE3437375A1 - Faserverstaerkte kunststoff-blattfeder

Info

Publication number: DE3437375A1
Application number: DE19843437375
Authority: DE
Inventors: Wendel Herbert Germantown Wis. Nickel
Original assignee: AO Smith Corp
Current assignee: AO Smith Corp
Priority date: 1983-10-13
Filing date: 1984-10-11
Publication date: 1985-04-25
Also published as: GB2147972B; AU4167985A; GB8425626D0; JPS6098233A; CA1234172A; AU568204B2; US4565356A; GB2147972A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft faserverstärkte Kunststoff-Blattfedern.

Blattfedern, die bei Fahrzeugen verwendet werden, weisen im allgemeinen einen gekrümmten oder gebogenen mittleren Bereich und Endbereiche mit Öffnungen oder Augen auf, um Verbindungsteile zur Anbringung der Feder am Fahrzeug aufzunehmen. Blattfedern sind aus faserverstärktem Kunststoffmaterial· hergestellt worden, um das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu reduzieren. Bei bestimmten Blattfedern dieses Typs wird der mittlere Bereich aus in Längsrichtung verlaufendem Fasermaterial geformt, das mit einem hitzehärtbaren Harz imprägniert ist, und es werden separate Metallendbereiche über mechanische Verbindungsteile

an den Enden des mittleren Bereiches angebracht.

Bei anderen faserverstärkten Kunststoff-Blattfedern werden durchgehende Stränge aus faserigem Material, das mit einem hitzehärtbaren Harz imprägniert - ist, um im Abstand angeordnete rohrf.örmige Büchsen in schleifenförmiger Konfiguration herumgewickelt. Die gewickelte Anordnung wird dann in eine Form gebracht, wobei die parallelen Lagen der Schleifenkonfiguration in flacher, aneinander angrenzender Relation zusammengebracht werden. Anschließend wird das Harz ausgehärtet, um eine integrale Anordnung zu schaffen. Mit einer Feder dieses Typs erstrecken sich die Stränge um die Büchsen und schließen sich an den gebogenen mittleren Bereich der Feder in Halsbereichen an. Wenn im Betrieb eine Last auf die Endbereiche der Feder ausgeübt wird, haben die Stränge eine Tendenz, längs der neutralen Achse an den Halsbereichen eine Schichtspaltung oder Delaminierung vorzunehmen. Außerdem hat sowohl eine Torsionsbeanspruchung, die beim Drehen des Fahrzeugs auf die Federn ausgeübt wird, als auch eine Torsionsbelastung, die aus einer Einzelradaufhängung resultiert, die Tendenz, eine Delaminierung oder Aufspaltung der Stränge in der neutralen Achse in der Nähe des Halsbereiches hervorzurufen.

Um diese Delaminierung oder Aufspaltung zu verhindern, hat man bereits daran gedacht, Klemmteile, Klammern oder andere Befestigungsteile zusätzlich an dem ver-

go letzbaren Halsbereich anzubringen, aber die Anbringung von derartigen Befestigungsteilen erfordert es normalerweise, daß Löcher oder andere öffnungen in der Feder gebildet werden, was die in Längsrichtung verlaufenden Verstärkungsstränge trennt und dementsprechend

cc die physikalischen Eigenschaften der Feder reduziert bzw. verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine faserverstärkte Kunststoff-Blattfeder mit verbesserter Büchsenkonstruktion anzugeben, die im Betrieb größeren Belastungen standhält.
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Gemäß der Erfindung wird die Feder dadurch hergestellt, daß man einen Strang aus faserigem Material, das mit einem ungehärteten hitzehärtbaren Harz imprägniert ist, um ein Paar von Büchsen in einer schleifenförmigen Konfiguration wickelt, um ein Paar von im allgemeinen parallel verlaufenden Bahnen oder Lagen, die sich zwischen den Büchsen erstrecken, sowie gekrümmte oder gebogene Endbereiche zu bilden, die sich um die Büchsen erstrecken und die parallelen Teile oder Lagen miteinander verbinden.

Gemäß der Erfindung sind die Büchsen zumindest mit einer Umfangsrippe oder einem Umfangssteg versehen, die sich vom mittleren rohrförmigen Bereich der Büchse nach außen erstrecken, und die faserigen' Wicklungen befinden sich innerhalb der Nuten zwischen benachbarten Stegen oder Rippen. Nachdem der Wickelvorgang beendet ist, wird die Wickelanordnung in eine Form gebracht, wobei die parallelen Lagen in eine flachliegende An-Ordnung gebracht werden, und das gewickelte Gebilde wird Hitze und Druck ausgesetzt, um das Harz auszuhärten und eine stabile integrale Anordnung zu schaffen.

Während man normalerweise erwarten würde, das in .

Umfangsrichtung verlaufende Rippen oder Stege den Widerstand gegenüber einer Axialverschiebung oder dem Herausdrücken der Büchsen erhöhen, dienen die Rippen oder Stege gemäß der Erfindung auch dazu, eine Aufspaltung oder Delaminierung der Stränge längs der neutralen Achse der Halsbereiche zu verhindern, wo der mittlere Bereich in die Endbereiche der Feder übergeht. Diese Beseitigung der Aufspaltung oder Delaminierung unter Verwendung von Rippen oder.Stegen ist

völlig unerwartet und überraschend. Es wird angenommen, daß die Rippen den Oberflächenbereich zwischen den Büchsen und den Wicklungen erhöhen, und wenn diese Oberfläche unter Scherbeanspruchung steht, wird die Delaminierung oder Aufspaltung der Wicklungen im Halsbereich reduziert.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibund von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Blattfeder; Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Büchse;

und in
Fig. 3 eine Seitenansicht, teilsweise im Schnitt,

eines Endes der Blattfeder.

Fig. 1 zeigt eine faserverstärkte Kunststoff-Blattfeder 1 zur Verwendung bei Fahrzeugen, die aus einem gekrümmten oder gebogenen mittleren Bereich 2 und einem Paar von Endbereichen 3 und 4 besteht, die integral mit dem mittleren Bereich 2 verbunden sind. Die Endbereiche 3 und 4 sind mit rohrförmigen Büchsen 5 und versehen, welche Verbindungsteile aufnehmen, um die Blattfeder 1 in herkömmlicher Weise mit einem Fahrzeug zu verbinden. Die öffnungen der Büchsen 5 und 6

QQ können jede gewünschte Konfiguration haben, und zwar in Abhängigkeit von der Federkonstruktion des Fahrzeugs .

Die Blattfeder 1 wird aus Strängen aus im wesentlichen endlosem faserigen Material hergestellt, das in schleifenförmiger Konfiguration um die Büchsen 5 und in einer Anzahl von übereinanderliegenden Lagen gewickelt wird, um die gewünschten physikalischen Eigen-

schäften für die Blattfeder 1 zu erreichen.

Die Stränge können in Form von jeder Art von faserigem Material vorliegen, das normalerweise bei .der Faser- · Wickeltechnik verwendet wird, wie z. B. synthetische Fasern, wie Nylon, Dacron oder Orion; Mineralfasern, wie z. B. Glas; pflanzliche Fasern, wie z. B. Baumwolle; tierische Fasern, wie z. B. Wolle; oder Metall- fasern, wie z. B. Stahldraht; oder Kohlenstoff- oder Graphitfasern.

Die Stränge werden mit einem ungehärteten, flüssigen hitzehärtbaren Harz imprägniert, das herkömmlicherweise bei der Faserwickeltechnik verwendet wird. In den meisten Fällen wird man als Harz ein Polyester oder Epoxyharz verwenden.

Nachdem der Wickelvorgang beendet ist, wird das gewickelte Gebilde geformt, um die Blattfeder 1 gemäß Fig. 1 herzustellen. Bei dem Formvorgang werden die beiden parallelen Strecken oder Lagen der gewickelten Schleifenanordnung, die mit dem Bezugszeichen 7.und bezeichnet sind, in der Form zusammengebracht, und während des Formvorganges wird das Harz gehärtet, um einen festen, stabilen und integralen Aufbau zu schaffen. Bei der geformten Anordnung erstrecken sich die Verstarkungsstränge durchgehend vom mittleren Bereich 2 um die Endbereiche 3 und 4, wobei die Verbindung zwischen dem mittleren Bereich 2 und den Endbereichen 3 und 4 Halsbereiche schafft, die mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet sind.

Wenn die Blattfeder 1 im Betrieb belastet wird, befindet sich die kritische Belastungszone längs der neutralen Achse des mittleren Bereiches 2 im Halsbereich, wie es mit der Linie 10 in Fig. 3 angedeutet ist.

Gemäß der Erfindung wird die Beanspruchungs- oder Belastungskonzentration längs der neutralen Achse 10 durch eine neuartige Büchsenkonstruktion reduziert. Wie am deutlichsten aus Fig. 2 ersichtlich, besitzt die Büchse 5 einen rohrförmigen Bereich 11 mit einer zentralen öffnung 12, und eine Reihe von Rippen oder Stegen 13 erstreckt sich vom rohrförmigen Bereich 12 nach außen. Jede Rippe 13 besitzt ein Paar von im allgemeinen abgeschrägten Seitenwänden, die unter einem Winkel von ungefähr 10° bis 20° gegenüber einer vertikalen Ebene zur Achse der Büchse 5 angeordnet sind. Die Seitenwände 14 enden in einer flachen Außenoberfläche 15.

Während des Wickelvorganges werden die faserigen Stränge in den Nuten zwischen benachbarten Rippen 13 und über den Außenoberflächen 15 der Rippen 13 aufgewickelt. Beim Aushärten des Harzes werden die faserigen Stränge integral mit den Büchsen 5 verbunden. Die Höhe der Rippen 13 ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen A angegeben und sollte im Bereich des 1- bis 8-fache der Radialabmessung B der Büchsen 5 und 6 liegen, vorzugsweise ungefähr das 4-fache der Radia!abmessung B ausmachen, um eine Delaminierung oder Aufspaltung bzw. Schichtentrennung im Halsbereich in wirksamer Weise zu verhindern. Während die Zeichnung eine Darstellung zeigt, wo sich die Rippen 13 vollständig um die Büchse 5 erstrecken, können sich in einigen Anwendungsfällen die Rippen 13 in beiden Richtungen von der neutralen Achse 10 weg zumindest über einen Winkel von 90° erstrecken.

Es wird bevorzugt, die Büchsen 5 und 6 aus geformten Kunststoffmaterial herzustellen, wie z. B. aus faserverstärktem hitzehärtbaren Harz, obwohl in einigen Fällen die Büchsen 5 und 6 auch aus Metall bestehen können. Kunststoffbüchsen sind korrosionsbeständig leichter durch Formvorgänge herzustellen als Metall-

büchsen und mit faserigen Wicklungen besser kompa-' tibel. Außerdem wird eine bessere Adhäsion zwischen den faserigen Strängen und einer geformten· Kunststoffbüchse erreicht als bei einer Metallbüchse. Als weiteren Vorteil bieten Kunststoffbüchsen eine bessere Schalldämpfung zwischen dem Rad und dem Fahrzeug.

Während man normalerweise erwartet, daß die in Umfangsrichtung verlaufenden Stege oder Rippen 13 dazu beitragen, das axiale Herausdrücken der Büchsen 5 aus der Feder 1 zu behindern, üben die Rippen 13 eine ganz andere Funktion gemäß der Erfindung aus. Die Axialverschiebung oder das Herausdrücken ist von. geringer Bedeutung bei einer Blattfeder 1, da die im Betrieb der Feder auftretenden Kräfte in axialer Richtung nur geringfügig sind. Die Rippen 13 haben jedoch durch die Vergrößerung der Gesamtoberfläche beim Kontakt zwischen den Wicklungen und den Büchsen die Wirkung, daß sie die Tendenz bei der Blattfeder 1 reduzieren, daß eine Aufspaltung oder Delaminierung im kritischen Beanspruchungsbereich auftritt, nämlich längs der neutralen Achse 10 im Halsbereich 9. Dieses Ergebnis ist völlig überraschend und unerwartet.

•a.

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Claims

Patentansprüche

Faserverstärkte Kunststoff-Blattfeder, mit einem gebogenen mittleren Bereich (2) und einem Paar von Endbereichen (3, 4), die mit den jeweiligen Enden des' mittleren Bereiches (2) verbunden sind, mit einer rohrförmigen Büchse (5, 6), die im jeweiligen Endbereich (3, 4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die Blattfeder (1) eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden, im wesentlichen endlosen Strängen aus faserigem Material aufweist, die mit einem gehärteten hitzehärtbaren Harz imprägniert sind,

daß die Stränge in einer oberen Bahn (7) und einer unteren Bahn (8) im mittleren Bereich (2) angeordnet sind und sich

um die Büchsen (5, 6) erstrecken, wobei die oberen und unteren Bahnen (7, 8) der Länge nach oder flach in einer neutralen Achse (10) miteinander verbunden sind, und die Stränge des mittleren Bereiches (2) an die Stränge der Endbereiche in einem Halsbereich (9) anschließen,

daß jede Büchse (5, 6) einen rohrförmigen Bereich (11) mit einer- Öffnung (12) zur Aufnahme eines Verbindungsteiles sowie zumindest eine in Umfangsrichtung verlaufende Rippe (13) besitzt, die sich vom rohrförmigen Bereich (11) radial nach außen erstreckt, und daß die Rippe (13) im jeweiligen Halsbereich (9) angeordnet ist und sich über einen Bogen zu beiden Seiten der neutralen Achse (10) erstreckt, so daß die Rippe (13) die Delaminierung der Blattfeder (1) längs der neutralen Achse verhindert.
2. Blattfeder'nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe oder die Rippen (13) sich'über einen Bogen von mindestens 90° zu beiden Seiten der neutralen Achse (10) erstrecken.
3. Blattfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe oder Rippen (13) eine radiale Abmessung (A) haben, die das 1- bis 8-fache der radialen Abmessung (B) des rohrförmigen Bereiches (11) ausmacht .
4. Blattfeder nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (5,.6) aus geformtem Kunststoff besteht.
5. Blattfeder nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe oder die Rippen (13) mit nach außen konvergierenden Seitenwänden (14) versehen sind.
6. Blattfeder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Rippen (13) im Abstand über die Länge der Büchse (5, 6) angeordnet sind.
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7. Faserverstärkte Kunststoff-Blattfeder, mit einem gebogenen mittleren Bereich (2) und einem Endbereich (3, 4), der mit dem jeweiligen Ende des zentralen Bereiches (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Endbereich (3, 4) eine Büchse (5, 6) angeordnet ist, die einen rohrförmigen Bereich (11) und eine Vielzahl von Rippen (13) aufweist, die sich vom rohrförmigen Bereich (11) radial nach außen erstrecken, wobei die Rippen (13) im Abstand über die Länge der Büchse (5, 6) angeordnet sind, daß die Blattfeder (1) eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden, im wesentlichen endlosen Strängen aus faserigem Material aufweist, das mit einem gehärteten hitzehärtbaren Harz imprägniert ist, wobei die Stränge in einer oberen Bahn (7) und einer unteren Bahn (8) im mittleren Bereich (2) angeordnet sind und sich um die Büchsen (5, 6) herum erstrecken, wobei sie innerhalb der Zwischenräume zwischen benachbarten Rippen (13) angeordnet sind und den Außenumfang der Rippen (13) bedecken,

und daß die oberen und unteren Bahnen (7, 8) flach in einer neutralen Achse (10) miteinander verbunden sind, wobei die Stränge des mittleren Bereiches (2) in Halsbereichen (9) in die Stränge der Endbereiche (3,4) übergehen und die Rippen (13) eine Delaminierung oder Aufspaltung bzw. Schichtentrennung der Blattfeder (1) längs der neutralen Achse (10) in dem Halsbereich (9) verhindern.
8. Blattfeder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rippen (13) um den gesamten Umfang des rohrförmigen Bereiches (11) herum erstrecken.

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9. Blattfeder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchsen (5, 6) aus faserverstärktem Kunststoffmaterial bestehen.
10. Blattfeder nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Höhe (A) der Rippen (13) das 1- bis 8-fache der radialen Dicke (B) des rohrförmigen Bereiches (11) ausmachen.