DE102010049565A1

DE102010049565A1 - Drehstabfeder für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010049565A1
Application number: DE102010049565A
Authority: DE
Inventors: Frank Buschbeck; Dipl.-Ing. Nagel Günter; Dipl.-Ing. Eckhard (FH) Reese; Jochen Rupprecht; Dipl.-Ing. Steinert Hans-Rudolf
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2012-04-26

Abstract

Drehstabfeder (2) für ein Fahrzeug mit einem Bauteil (1), welches eine Torsionsfeder ausbildet, wobei dass das Bauteil (1) aus einem mit Fasern verstärkten Kunststoffmaterial besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehstabfeder für ein Kraftfahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Drehstäbe beziehungsweise Drehstabfedern sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es handelt sich dabei um Torsionsfedern, die die Wankbewegungen eines Fahrzeugs vermindern sollen. Diese Bauteile werden aufgrund der hohen Materialanforderungen hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit, insbesondere bei der Torsionsbelastung, aus einem hochfesten Federstahl gefertigt und typischerweise als Rohr- oder Vollmaterial ausgeführt. Insbesondere bei der Ausführung als Hohlstruktur (als rohrförmiges Bauteil) ist dabei die hohe Kerbempfindlichkeit des verwendeten hochbelastbaren Federstahls besonders kritisch und kann maßgeblich zu einem potentiellen Versagen des Bauteils beitragen. Außerdem führt die Verwendung eines metallischen Hohlprofils zu einer technisch schwierig umsetzbaren Korrosionsschutzbehandlung. Um diese dennoch zu gewährleisten, sind entsprechende Mehrkosten sowie eine Erhöhung der Taktzeit im Fertigungsprozess des Bauteils notwendig. Letztlich weisen derartige Drehstabfedern außerdem aufgrund der hohen auftretenden Kräfte und der notwendigen Federrate vergleichsweise große Bauteildurchmesser und damit hohe Gewichte auf, welche bei einer Bewegung des Fahrzeugs zu entsprechend hohem Energieverbrauch führen.
Ebenso sind aus dem allgemeinen Stand der Technik faserverstärkte Kunststoffe als Leichtbaumaterialien bekannt. Diese sind aufgrund der üblichen Ausbildung mit duroplastischen Matrixsystemen in eine Serienfertigung nur schwer und unter deutlicher Verlängerung der bisherigen Taktzeiten zu integrieren. Auch die belastungsgerechte Anordnung der Fasern stellt ein erhebliches Problem für eine Serienfertigung derartiger Bauteile dar. Letztlich stellt auch die Problematik der Nachbearbeitung beispielsweise durch ein Biegen oder ähnliche Fertigungsschritte ein großes Problem aufgrund der typischerweise eingesetzten duroplastischen Matrixmaterialien dar. Da die Aushärtung dann erst dann erfolgen kann, wenn das Bauteil seine endgültige Kontur erreicht hat, wird der Fertigungsaufwand hierdurch erheblich erhöht.
Aus der DE 102 011 582 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundblattfeder unter Ausnutzung eines Geflechtschlauchs und eines Formkerns bekannt. Insbesondere im Hinblick auf die Ausprägung der Geometrie weist diese offensichtlich eine sehr hohe Variabilität auf und erlaubt außerdem eine Reduzierung des Gewichts um bis zu 60 Prozent. Als faserverstärkter Kunststoff wird hierbei ein Glasfaserepoxidmaterial verwendet, welches sehr lange Aushärtzeiten aufweist und so, wie oben bereits bei der allgemeinen Ausführung zum faserverstärkten Kunststoff dargelegt, nicht für den Einsatz in einer Serienfertigung, insbesondere nicht in einer automobilen Serienfertigung, geeignet ist. Damit muss für den Aufbau von Verbundstoffblattfedern gemäß der DE 102 011 582 A1 von einer entsprechend kostenintensiven Einzelfertigung ausgegangen werden.
Die DE 10 2007 003 596 A1 betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder aus dem Fahrzeugbereich unter Verwendung eines Faserverbundkunststoffs mit thermoplastischer Matrix. Hierzu werden Thermoplast-Prepregs, also mit thermoplastischem Matrixmaterial vorimprägnierte, flache Faserbündel beziehungsweise Rovings verwendet, die mittels aus der Textiltechnik gängigen Maßnahmen konfektioniert und anschließend in ein konkav ausgeformtes Werkzeug verpresst werden. Auch hierbei handelt es sich um ein diskontinuierliches Fertigungsverfahren, welches für eine Serienfertigung ungeeignet und dadurch entsprechend aufwändig und teuer ist.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Drehstabfeder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welche in ihrem konstruktiven Aufbau weitgehend der herkömmlichen Drehstabfeder aus einem rohrförmigen, hochfesten Federstahl entspricht, welche jedoch deutlich leichter ist, eine höhere Flexibilität hinsichtlich der Federungseigenschaften aufweist, und welche eine geringere Anfälligkeit gegen Korrosion zeigt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Drehstabfeder ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Drehstabfeder nutzt weiterhin ein Bauteil, welches jedoch nicht aus hochfestem Federstahl, sondern aus einem mit Fasern verstärkten Kunststoffmaterial besteht. Ein solcher faserverstärkter Kunststoff oder auch Faserverbundkunststoff (FVK) dient zur Realisierung des Bauteils der Drehstabfeder. Der faserverstärkte Kunststoff kann dabei durch die Faserverstärkung Kräfte sehr gut aufnehmen und weiterleiten und ermöglicht es durch die Ummantelung der Fasern mit einem Matrixmaterial aus Kunststoff, das Bauteil der Drehstabfeder so herzustellen, dass dieses eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion aufweist.
Eine Drehstabfeder aus einem Faserverbundkunststoff erlaubt es dabei durch eine geeignete Wahl der Fasern, hier sind typischerweise Glasfasern, Aramidfasern, Kevlarfasern oder insbesondere Kohlefasern oder Mischungen hiervon möglich, je nach Fasertyp, Fasermenge und Richtung der einzelnen Faserbündel sowie nach der Herstellungsmethode, beispielsweise Flechten und/oder Umwickeln, eine individuell über die Länge des im Wesentlichen rohrförmigen Bauteils und der späteren Drehstabfeder am jeweiligen Punkt geeignete Festigkeit einzustellen. Damit lässt sich sehr individuell abgestimmt eine ausreichend feste Drehstabfeder mit hervorragenden Dämpfungseigenschaften realisieren, welche auf den jeweiligen Anwendungsfall exakt abgestimmt ist. Beispielsweise können Fasern oder Faserbündel aus unterschiedlichen Materialien zu sogenannten Hybridrovings zusammengestellt und mittels Matrixfilamenten verbunden werden. Durch Aufschmelzen der Matrixfilamente entsteht eine omdulationsfreie Laminatlage, welche die Hybridrovings verbindet. Außerdem lassen sich verschiedene Faserlagen miteinander kombinieren, indem beispielsweise geflochtene Fasern in einem Flechtwinkel von typischerweise 10 bis 80 Grad gegenüber der Achse des (vorzugsweise rohrförmigen) Bauteils abgelegt werden. In den Flechtprozess lassen sich außerdem unidirektionale Fasern mit einflechten, welche eine gezielte Verstärkung in ihrer Faserrichtung ermöglichen. Ferner lassen sich einzelne Schichten außerdem durch Wickeln realisieren, wobei hier insbesondere Faserbündel eingesetzt werden, welche in Form von Bändern vorgefertigt sind, um eine möglichst hohe Ablegegeschwindigkeit und eine kurze Fertigungszeit zu erreichen. All dies ermöglicht es die Eigenschaften der Drehstabfeder mit minimalem Aufwand an Material und damit minimalem Endgewicht des Bauteils ideal einzustellen.
Der Aufbau der Drehstabfeder aus dem faserverstärkten Kunststoff hat die folgenden Vorteile:

– Drastische Reduzierung des Bauteilsgewichtes
– Verbesserte Medien- und Chemikalienbeständigkeit vgl. mit Stahl
– Kein zusätzlicher Korrosionsschutz des Bauteils notwendig
– Verbessertes Dämpfungsverhalten des Werkstoffs, erhöht Fahrkomfort und Emissionsverhalten
– Fasergerechte leichtbauende Lasteinleitung
– Einsetzbarkeit des Bauteils an Vorder- und Hinterachse
– Federcharakteristik durch Variation des Laminataufbaus in weiten Bereichen beeinflussbar
– Ideal torsionssteifes geschlossenes Hohlprofil bei gleichzeitiger Verwendung von Materialen mit höchster Leichtbaugüte
– Senkung des Energieverbrauchs des Fahrzeugs pro gefahrenem Kilometer und Verkleinerung des Schadstoffausstoßes
– Senkung des Energieverbrauchs bei der Herstellung des Drehstabs aus faserverstärktem Kunststoff bezogen auf einen vergleichbaren Drehstabs aus Stahl
– Kleiner bauend (geringerer Hebelarm) durch höhere zulässige innere Spannung bei Faserverbundstrukturen

Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Drehstabfeder ist es außerdem vorgesehen, dass das Kunststoffmaterial ein thermoplastischer Kunststoff ist. Die Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs als Kunststoffmaterial für den Faserverbundkunststoff hat den entscheidenden Vorteil, dass typische thermoplastische Matrixwerkstoffe wie PA, insbesondere jedoch PPA oder PEEK, eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit und zusätzlich eine geringe Wasseraufnahme bei hoher Kerbschlagzähigkeit aufweisen. Dies ermöglicht es, ein chemisch und thermisch sehr beständiges Bauteil herzustellen, wobei thermoplastische Kunststoffmaterialien als Matrixwerkstoffe außerdem den Vorteil haben, dass diese bei der Herstellung der Bauteile aus dem Faserverbundkunststoff sehr viel einfacher zu handhaben sind als duroplastische Materialien, welche eine vergleichsweise lange Aushärtzeit benötigen. Bei der Verwendung von thermoplastischen Matrixwerkstoffen ist es beispielsweise möglich, die Fasern mit dem Matrixwerkstoff vorzuimprägnieren und dann vorimprägnierte Faserbündel oder Hybridgarne aus Verstärkungsfasern und Matrixfasern durch Erwärmen bei der Verarbeitung soweit anzuschmelzen, dass diese zu dem Faserverbund Bauteil werden. Dies ermöglicht also bei thermoplastischem Matrixmaterial eine sehr einfache und schnelle Fertigung, sodass Fertigungskosten und typischerweise auch Materialkosten reduziert werden können.
Gemäß einer günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass Anbauteile an das rohrförmige Bauteil angeklebt und/oder angespritzt sind. Auf diese Art lassen sich an das rohrförmige Bauteil Lagerelemente und Anbauteile zur Aufnahme von Lagern beziehungsweise Hebeln, wie sie bei einer Drehstabfeder notwendig sind, an das rohrförmige Bauteil anbringen. Diese werden beispielsweise angeklebt und können aus metallischen Materialien hergestellt sein. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung werden diese dann zusammen mit dem rohrförmigen Bauteil aus faserverstärktem Kunststoffmaterial gemeinsam umspritzt, um so fest und zuverlässig mit dem rohrförmigen Bauteil verbunden zu sein und zusammen mit diesem nach außen gegen Korrosion geschützt zu sein. Ergänzend oder alternativ dazu können Anbauteile aus Kunststoff auch direkt angespritzt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass die Anbauteile formschlüssig mit dem rohrförmigen Bauteil verbunden sind. Beispielsweise können Anbauteile in das Ende des rohrförmigen Bauteils, also in die offenen Rohrenden integriert werden. Wenn diese geeignete Hinterschnitte aufweisen, können sie insbesondere durch ein Verformen des rohrförmigen Bauteils durch ein Erwärmen des Matrixmaterials bis zum Erweichen so verformt werden, dass das Matrixmaterial in die Hinterschnitte eindringt und eine formschlüssige Verbindung zwischen den Anbauteilen und dem rohrförmigen Bauteil entsteht. Alternativ dazu ist es selbstverständlich auch möglich, diese durch andere formschlüssige Verbindungen wie beispielsweise das Einbringen von Nieten, durch welche dann Schrauben oder Achsen geführt werden, anzubinden. Insbesondere bei dieser letztgenannten Methode kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass im Bereich der Anbauteile metallische Einleger angeordnet sind. Derartige metallische Einleger können die Festigkeit weiter erhöhen. Da diese typischerweise von dem faserverstärkten Kunststoffmaterial umgeben sind und gegebenenfalls zusammen mit diesem in einer Nachkonsolidierung mit Kunststoff umspritzt werden, sind auch diese entsprechend korrosionsgeschützt und es entsteht ein Aufbau, welcher die unmittelbare Einleitung der Kraft über die metallischen Einleger in das rohrförmige Bauteil aus faserverstärktem Kunststoffmaterial realisiert, während die Kraftweiterleitung durch die Drehstabfeder selbst im Wesentlichen über die Verstärkungsfasern realisiert wird.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften und günstigen Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es außerdem vorgesehen sein, dass das rohrförmige Bauteil einen Sensor zum Erfassen einer mechanischen Schädigung des Bauteils aufweist, wobei zumindest ein Teil des Sensors in das Bauteil integriert ausgebildet ist.
Bauteile aus faserverstärktem Matrixmaterial weisen typischerweise eine sehr hohe Festigkeit auf. Allerdings kann es innerhalb des Matrixmaterials zu von außen unbemerkten und nicht zu erkennenden Faserbrüchen kommen, welche das Bauteil aus dem faserverstärkten Kunststoffmaterial entsprechend schwächen. Solche Schädigungen sind durch eine Sichtprüfung oder dergleichen jedoch nicht zu erkennen. Ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoffmaterial weist dann immer noch eine gewisse Restfestigkeit auf, die sogenannte „damage tolerance”. Es wird also erst versagen, wenn Kräfte auf es einwirken, welche oberhalb dieser Restfestigkeit liegen. Ein Versagen des Bauteils wird in diesem Fall jedoch typischerweise schlagartig auftreten, sodass dieses insbesondere im Bereich von sicherheitsrelevanten Bauteilen, wie Drehstabfedern, in jedem Fall vermieden werden sollte. Daher werden typischerweise entsprechend große Mengen an Verstärkungsfasern eingeplant, um eine entsprechend hohe Sicherheit des Bauteils zu realisieren. Das Bauteil wird dadurch jedoch schwerer und, da die Faser den größten Teil der Materialkosten für das Bauteil darstellen, erheblich teurer, als unbedingt notwendig. Das Leichtbaupotenzial des Materials kann damit nicht vollständig ausgeschöpft werden und die Gewichtsersparnis, ebenso wie die Ersparnis an Kraftstoff und Kohlendioxidemissionen, lässt sich damit nicht bis zum maximal möglichen Wert nutzen. Durch die Integration eines Sensors, um eine derartige Schädigung zu erfassen, kann diese Problematik nun behoben werden. Mit einem derartigen Sensor kann frühzeitig eine eventuelle Schädigung erkannt werden und es kann eine Wartung beziehungsweise ein Austausch der Drehstabfeder veranlasst werden. Als Sensoren bietet es sich dabei an, ohnehin in der Drehstabfeder vorhandene Fasern zu nutzen, um diese, beispielsweise im Falle von Kohlefasern, mit einem geringen elektrischen Strom zu durchströmen und den Widerstand zu messen. Ändert sich dieser gegenüber einem charakteristischen Wert beziehungsweise einer charakteristischen Kennlinie, dann liegt eine entsprechende Verformung oder gegebenenfalls ein Faserbruch vor. Beim Einsatz von Glasfasern als Verstärkungsfasern oder als eigens eingebrachte Sensorfasern lässt sich ein ähnliches Szenario durch die Leitung von Licht in der Glasfaser, insbesondere mit in einem gepulsten Licht realisieren, wobei hier dann die Lichtleitung in der Glasfaser entsprechend erfasst und mit einem Referenzwert verglichen wird.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus mit dem integrierten Sensor ist es dabei vorgesehen, dass der integrierte Teil des Sensors mit einem Transponder verbunden ist oder einen Transponder bildet, welcher in das Bauteil integriert ausgebildet ist. Ein solcher Transponder, insbesondere ein RFID-Transponder, kann dabei einfach, effizient und kostengünstig realisiert werden. Er kann als Dehnmesselement verwendet werden oder es können auch andere Sensorelemente, z. B. um Feuchtigkeit und Temperatur zu erfassen, auf Basis eines RFID-Sensors ausgebildet werden, wie es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist. Ein solcher Sensor, insbesondere ein Sensor zur Erfassung der Dehnung auf Basis des RFID, kann beispielsweise auf das Bauteil aufgeklebt werden und über ein geeignetes Lesegerät für RFID-Transponder, welches in Fahrzeugen ohnehin vorhanden ist, da typischerweise auch Reifendrucksensoren auf der Basis von RFID-Transpondern arbeiten, ausgelesen werden. Über einen solchen Transponder auf der Basis eines RFID lässt sich so einfach und effizient eine Beurteilung der Dehnung der Drehstabfeder in entsprechend belasteten Stellen realisieren. Der RFID kann dabei einfach in das Material einlaminiert werden oder auf das rohrförmige Bauteil aufgeklebt werden, bevor dieses mit einer Kunststoffschicht umspritzt wird. Da der RFID keinen elektrischen Anschluss braucht, sondern über das Lesegerät und elektromagnetische Wellen mit Energie versorgt wird, entsteht kein weiterer Aufwand. Da die RFID außerdem sehr kostengünstig zu realisieren sind, entsteht ohne nennenswerte Mehrkosten ein Bauteil, welches durch eine fortwährende Überwachung auf eventuelle Schädigungen extrem sicher ist und dabei das gesamte Leichtbaupotenzial des faserverstärkten Kunststoffmaterials ausschöpfen kann. Im Falle des Versagens einzelner Fasern kann dann eine Warnmeldung ausgegeben werden und das entsprechende Bauteil wird gewartet beziehungsweise ausgetauscht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich außerdem aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel, welches unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
1 ein rohrförmiges Bauteil zur Herstellung einer Drehstabfeder;
2 einen Kern zur Herstellung einer Drehstabfeder;
3 das rohrförmige Bauteil gemäß 1 mit ersten Anbauteilen;
4 eine mögliche Ausführungsform zur Verbindung des rohrförmigen Bauteils mit den Anbauteilen;
5 eine alternative mögliche Ausführung zur Verbindung des rohrförmigen Bauteils mit den Anbauteilen;
6 das rohrförmige Bauteil gemäß 3 mit Lageraufnahmen;
7 einen Querschnitt durch den Bereich VII-VII in 6;
8 eine Drehstabfeder mit Lagern zur Verbindung mit einem Fahrzeug;
9 eine mögliche Anbindung der Drehstabfeder in einem Aufbau analog 5;
10 ein rohrförmiges Bauteil analog 3 mit integrierter Sicherheitssensorik;
11 eine Prinzipdarstellung eines RFID; und
12 eine Schnittdarstellung durch die Drehstabfeder mit integrierter RFID.
In der Darstellung der 1 ist ein gebogenes rohrförmiges Bauteil 1 zu erkennen, welches eine später noch in ihrer Gesamtheit dargestellte Drehstabfeder 2 als wesentliches Bauteil ausbilden soll. Das gebogene rohrförmige Bauteil 1 kann dabei insbesondere durch Flechtpultrusion von mit einem thermoplastischen Matrixkunststoff vorimprägnierten Faserbündeln, insbesondere aus Kohlefaser und gegebenenfalls auch aus einer Mischung von Kohlefasern mit anderen Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern oder Kevlarfasern, ausgebildet sein. Das so in an sich bekannter Art und Weise durch Flechtpultrusion mit einem oder mehreren Flechtaugen hergestellte rohrförmige Bauteil 1 kann insbesondere durch unidirektional eingeflochtene Verstärkungsfasern und/oder einer Kombination von Flechten und Umwickeln so ausgebildet werden, dass an den einzelnen Stellen des Bauteils unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Kraftweiterleitung, der Dämpfung und der Federwirkung vorliegen. Das so hergestellte rohrförmige Bauteil kann anschließend unmittelbar weiterverarbeitet werden, indem dieses beispielsweise in einer CNC gesteuerten Biegeanlage unter partieller Erwärmung in den zu biegenden Bereichen zu dem in 1 dargestellten gebogenen rohrförmigen Bauteil 1 weiterverarbeitet wird. Dieses gebogene rohrförmige Bauteil 1 kann dann entweder direkt zu der Drehstabfeder 2 weiterverarbeitet werden oder es kann erneut umflochten beziehungsweise umwickelt werden. Beim Umflechten beziehungsweise Umwickeln eines bereits gebogenen rohrförmigen Bauteils 1 ist es dabei sinnvoll, dieses über einen in mehreren Achsen beweglichen Roboter durch ein Flechtrad beziehungsweise Flechtauge zu führen, um eine geeignete Ablage der Fasern in der gewünschten Art und Weise entlang des gebogenen rohrförmigen Bauteils 1 realisieren zu können.
Eine Alternative hierzu wäre beispielsweise das Herstellen eines Kerns 3, wie er in der Darstellung der 2 zu erkennen ist. Dieser Kern 3 gibt dabei die Form der späteren Drehstabfeder 2 vor und kann beispielsweise auf einem durch Blasumformen hergestellten Kunststoffliner, also einem Kunststoffhohlkörper aus einer oder mehreren Kunststoffschichten, bestehen. Auch eine Ausbildung aus Schaum oder eine Ausbildung als verlorener Kern, beispielsweise aus Formsand oder einem schmelzfähigen Wachs beziehungsweise Kunststoff, wäre ebenso denkbar. Dieser Kern 3 kann dann, wie das bereits gebogene rohrförmige Bauteil 1 auch, über einen in mehreren Achsen beweglichen Roboter durch eine Flechtanlage, insbesondere durch ein Flechtauge beziehungsweise Flechtrad, geführt und so umflochten werden. Typischerweise werden dabei mehrere Lagen eines mit thermoplatischem Matrixmaterial vorgetränkten Verstärkungsfaserbündels um den Kern geflochten und durch ein Aufschmelzen des thermoplastischen Matrixmaterials fest miteinander verbunden. Eine Alternative zum Flechten, welche auch ergänzend zum Flechten über die gesamte Länge oder in bestimmten Bereichen des gebogenen rohrförmigen Bauteils 1 beziehungsweise des diesem zugrundeliegenden Kerns 3 eingesetzt werden kann, ist das Umwickeln, welches letztlich analog erfolgt. Um entsprechend hohe Ablegegeschwindigkeiten beim Umwickeln zu realisieren, kann anstelle von im Wesentlichen runden Faserbündeln beim Umwickeln auch ein Aufbau eingesetzt werden, welcher aus mehreren nebeneinander liegenden, gemeinsam mit dem thermoplastischen Matrixmaterial vorimprägnierten Faserbündeln besteht, sodass letztlich ein vorimprägniertes Faserbändchen entsteht, welches in der Breite eine größere Ausdehnung hat als ein einzelnes Faserbündel. Dadurch lassen sich höhere Ablegegeschwindigkeiten beim Umwickeln erreichen.
Beide mögliche Verfahren haben dabei ihre Vor- und Nachteile. So kann beispielsweise bei der Herstellung eines rohrförmigen Halbzeugs, welches dann erst gebogen und gegebenenfalls nochmals mit Verstärkungsschichten umwickelt beziehungsweise umflochten wird, ein quasi kontinuierliches Verfahren zum Herstellen des rohrförmigen Halbzeugs eingesetzt werden, welches dann in den gewünschten Längen einfach abgelängt werden muss. Beim Einsatz des Kerns 3 können anders als bei der Herstellung eines rohrförmigen Halbzeugs dagegen gleich unterschiedliche Querschnitte sehr einfach mit berücksichtigt werden und es können entsprechende Anbauteile und Aufnahmen in ihrer endgültigen Form bereits vorgesehen sein, wie dies in der Darstellung der 2 an den Enden des Kerns 3 zu erkennen ist. Diese Enden sind in der Darstellung der 2 mit 4 bezeichnet und können zur Aufnahme von Buchsen dienen, durch welche später über Schrauben oder dergleichen andere Bauteile befestigt werden können. Beim rohrförmigen Bauteil 1 müssen diese Aufbauten nachträglich eingebracht werden. Dies ist prinzipiell aufwändiger, kann jedoch hinsichtlich der Festigkeit Vorteile aufweisen.
In der Darstellung der 3 ist das aus 1 bekannte rohrförmige Bauteil 1 nochmals dargestellt. Anders als in der Darstellung der 1, in welcher Enden 5 des rohrförmigen Bauteils 1 offen gezeichnet sind, sind im Bereich dieser Enden 5 nun Anbauteile 6, insbesondere Anbauteile 6 aus metallischem Material dargestellt. Diese Anbauteile 6 weisen Öffnungen 7 auf, durch welche später andere Bauteile mit der Drehstabfeder 2 verbunden werden können.
In der Darstellung der 4 ist eine mögliche Ausführungsform zur Befestigung eines derartigen Anbauteils 6 am Ende 5 des rohrförmigen Bauteils 1 zu erkennen. An seinem dem rohrförmigen Bauteil 1 zugewandten Ende weist das Anbauteil 6 einen Bereich 8 auf, welcher wenigstens einen Hinterschnitt ausbildet. Das Anbauteil 6 kann dann in das offene Ende 5 des rohrförmigen Bauteils 1 eingeführt werden und durch ein entsprechende Erwärmung und Umformung des Endes 5 des rohrförmigen Bauteils 1 kann das Material des rohrförmigen Bauteils in diesen Hinterschnitt eindringen und so eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Anbauteil 6 und dem rohrförmigen Bauteil 1 realisieren.
Eine Alternative hierzu ist in der Darstellung der 5 zu erkennen. In diesem Fall ist das Ende 5 des rohrförmigen Bauteils 1 entsprechend flachgedrückt, was insbesondere zwischen zwei Stempeln oder einem Stempel und einem Gegenhalter unter Erwärmung des Materials im Bereich des Endes 5 erfolgen kann. Um einen Einfall des Materials zu verhindern, kann dabei ein Vakuumstempel oder ein Stempel mit Nadelgreifern eingesetzt werden. In der Darstellung der 5 ist zusätzlich ein metallischer Einleger 9 in den umgeformten Bereich der Enden 5 eingelegt. Ein solcher metallischer Einleger kann beispielsweise aus einer Metallplatte bestehen, welche insbesondere aus rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium oder Legierungen dieser Werkstoffe besteht. Der Aufbau ist damit vergleichsweise gut gegen Korrosion geschützt und wird außerdem durch das Umformen der Enden 5 des rohrförmigen Bauteils von dem Material des rohrförmigen Bauteils annähernd vollständig ummantelt und so auch von diesem Material beziehungsweise dem Matrixmaterial gegen Korrosion geschützt. Bei der Verwendung eines Einlegers 9 ist selbstverständlich kein Einfallen des rohrförmigen Materials möglich beziehungsweise zu befürchten, sodass hier auf die vergleichsweise aufwändige Technik mit Vakuumstempeln oder mit Nadelgreifern versehenen Stempeln verzichtet werden kann. Durch den Verbund aus dem Ende 5 des rohrförmigen Bauteils 1 und dem metallischen Einleger 9 wird dann eine Öffnung 7 eingebracht, welche in der Darstellung der 5 zusätzlich mit einer Buchse 10 versehen ist. Die Buchse 10 soll dabei in den dem faserverstärkten Kunststoffmaterial zugewandten Bereich entsprechend abgerundete Kanten aufweisen, um das Fasermaterial nicht zu schädigen und nicht zu sehr zu beanspruchen. Auf dieses Detail wurde in der Darstellung der 5 verzichtet.
Die Öffnung 7 kann dabei entweder durch beide Materialien hindurch eingebracht werden, indem diese gebohrt oder gestanzt werden. Insbesondere kann jedoch der metallische Einleger 9 die Öffnung 7 bereits aufweisen. Die Öffnung 7 durch das faserverstärkte Kunststoffmaterial des Endes 5 kann dann mittels eines beheizten Dorns durch Verdrängen der Faserbündel eingebracht werden. Anders als bei einem Einstanzen werden die Faserbündel dabei nicht durchtrennt, sondern durch den beheizten Dorn im dann aufgeschmolzenen Matrixmaterial lediglich zur Seite verdrängt, sodass eine entsprechende Öffnung 7 entsteht, durch welche die Buchse 10 eingebracht werden kann. In der unmittelbaren Umgebung der Öffnung 7 liegen dann zusätzlich zu den „regulären” Fasern auch noch die in diesen Bereich verdrängten Fasern. Der Bereich wird somit zusätzlich verstärkt.
Bei der Alternative, dass das rohrförmige Bauteil 1 um den in 2 dargestellten Kern 3 aufgebaut wird, kann auf derartige Maßnahmen verzichtet werden, da im Bereich der Enden 4 des Kerns 3 bereits die entsprechende Ausformung vorgesehen sein kann. Das Material muss dann lediglich noch gelocht werden, beispielsweise gestanzt oder ebenfalls über einen Dorn entsprechend verdrängt werden. Dabei ist es möglich, dass das Fasermaterial im Bereich der Enden als Vollmaterial ausgeführt ist oder nur einen geringen Abstand zwischen den einzelnen Seiten aufweist. Prinzipiell wäre es auch denkbar, in einen durch Blasformen hergestellten Liner oder insbesondere in einen Schaumkern oder verlorenen Kern im Bereich der Enden 4 metallische Teile zu integrieren, sodass diese in dem faserverstärkten Bauteil des rohrförmigen um den Kern 3 aufgebauten Bauteils 1 bereits integriert sind. Für das Einbringen der Öffnungen 7 gilt dann dasselbe wie im Rahmen der 5 beschrieben.
In der Darstellung der 6 ist die Drehstabfeder 2 nun in ihrer endgültigen Ausführungsform dargestellt. Der hier dargestellte Aufbau entspricht dabei im Wesentlichen dem in 3 bereits gezeigten Aufbau mit dem rohrförmigen Bauteil 1 und den im Bereich der Enden 5 angebrachten Anbauteilen 6. Zusätzlich zu den Anbauteilen 6 sind im Bereich des rohrförmigen Bauteils 1 nun außerdem Lageraufnahmen 11 zu erkennen. Diese Lageraufnahmen 11 können beispielsweise mit dem rohrförmigen Bauteil 1 verklebt werden. Insbesondere sollen die Lageraufnahmen 11 jedoch an das rohrförmige Bauteil 1 angespritzt sein. Zum Anspritzen bietet sich dabei die Verwendung eines Zweikomponenten-Spritzgussverfahrens an.
In der Darstellung der 7 ist in einem Querschnitt der Aufbau nochmals zu erkennen. Das Material der Lageraufnahme 11 ist dabei komplett aus dem Zweikomponenten-Spritzgussmaterial hergestellt. Zusätzlich zum Anspritzen der Lageraufnahmen 11 können außerdem weitere Anbauteile, Schellen, Kabelführungen oder ähnliches mit angespritzt werden. Insbesondere ist es auch denkbar, beim Anspritzen der Lageraufnahmen 11 das gesamte Bauteil 1 insgesamt mit einer Kunststoffschicht 20 zu umspritzen, um dieses nochmals besser vor Korrosion zu schützen und insbesondere metallische Anbauteile, wie hier die metallischen Anbauteile 6, mit Kunststoff zu ummanteln, um auch diese sicher, zuverlässig und dauerhaft vor Korrosion zu schützen.
Zusätzlich zum reinen Umspritzen der Drehstabfeder 2 mit der Schutzschicht 20 aus Kunststoff können hier außerdem weitere Anbauelemente wie Gummielemente im Bereich der Lager und ähnliches mit angespritzt werden, um bei der späteren Montage eine erleichterte Handhabung zu erzielen.
In der Darstellung der 8 ist der Aufbau der Drehstabfeder 2 nochmals zu erkennen, wobei hier Lager 12 dargestellt sind, welche mit den Lageraufnahmen 11 entsprechend korrespondieren und zur Befestigung der Drehstabfeder 2 in dem Fahrzeug ausgebildet sind. Die Drehstabfeder 2 ist, wie bereits ausgeführt, extrem leicht und weist eine hohe Beständigkeit gegen Umgebungseinflüsse, insbesondere gegen chemische Umgebungseinflüsse, wie sie beispielsweise durch Streusalz verursacht werden, auf. Außerdem weist die Drehstabfeder 2 mit dem thermoplastischen Matrixmaterial eine vergleichsweise gute Temperaturbeständigkeit auf. Sie kann in dem Fahrzug daher sowohl im Bereich der Hinterachse als auch im Bereich der Vorderachse eingesetzt werden und kann problemlos auch durch einen Motorraum geführt werden, in welchem aufgrund des heißen Motors und der heißen Abgaskrümmer typischerweise vergleichsweise hohe Temperaturen vorliegen.
Die in der Darstellung der 8 dargestellte Drehstabfeder 1 wird also im Bereich der Lager 12 mit dem Fahrzeug verbunden. Um ihre Funktionalität wahrnehmen zu können, werden im Bereich der Öffnungen 7 außerdem geeignete Hebel 13 angebracht, um die Wankbewegungen in den Bereich der Drehstabfeder 2 einzuleiten, sodass diese die Wankbewegungen des Fahrzeugs minimieren oder verhindern kann. Die Anbindung eines solchen Hebels ist in der Darstellung der 9 an einer Ausführungsform der Enden 5 der Drehstabfeder analog der in 5 zu erkennen. Der Hebel 13 wird dabei über ein Lagerelement 14 und eine Schraube 15 mit geeigneter Lageraufnahme mit der Buchse 10 beziehungsweise dem Ende 5 der Drehstabfeder 1 verbunden. Die Einleitung der Kräfte erfolgt dann über die Buchse 10 und den Bereich, welcher durch den metallischen Einleger 9 entsprechend verstärkt worden ist. Die Weiterleitung der Kräfte durch das gebogene rohrförmige Bauteil 1 erfolgt im Wesentlichen durch die Verstärkungsfasern. Da die Verstärkungsfasern eine höhere innere Spannung zulassen als vergleichbare Aufbauten aus Federstahl, können die Hebel 13 kürzer bauen, wodurch nochmals Material, und damit Gewicht, und auch Bauraum eingespart werden kann. Die Anbindung bei der Verwendung eines Anbauteils 6 analog zur Darstellung in 4 würde im Wesentlichen analog erfolgen.
Um die Federungs- und Dämpfungseigenschaften der Drehstabfeder 2 zusätzlich zu beeinflussen, kann es neben einer Variation der Materialstärke beziehungsweise der Materialmenge über die Länge des gebogenen rohrförmigen Bauteils 1 hinweg außerdem zu einer Veränderung des typischerweise geschlossenen Querschnitts kommen. Eine solche Veränderung des im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitts kann beispielsweise durch Eindrücken des kreisförmigen Profils auf einer Seite oder auf beiden Seiten erfolgen. Dann entsteht ein D-förmiges Profil oder gegebenenfalls ein eher ovales oder auch annähernd rechteckiges Profil. Dafür muss in dem Bereich, in dem das Profil eingedrückt wird, eine entsprechende Erwärmung des Matrixwerkstoffs erfolgen, um eine Schädigung des Bauteils zu vermeiden. Dann lässt sich ein solches Eindrücken einfach und effizient realisieren, beispielsweise über zwei Stempel oder einen Stempel und einen Gegenhalter. Beim Eindrücken von rohrförmigen Querschnitten kommt es typischerweise zu einem Einfall des Materials, wie dies oben bereits erwähnt wurde. Diesem kann über verschiedene Maßnahmen entgegengewirkt werden. Entweder kann das rohrförmige Bauteil im Inneren mit einem idealerweise erwärmten Gas unter Druck gesetzt werden, sodass ein solcher Einfall aufgrund des vergleichsweise hohen Innendrucks nicht möglich ist. Hierfür können beispielsweise Anbauteile 6 mit geeigneten Öffnungen, welche in das Innere des rohrförmigen Bauteils führen, versehen sein. Über solche Öffnungen kann dann einfach und effizient ein Anschluss zur Beaufschlagung des Inneren des rohrförmigen Querschnitts mit Druck erfolgen. Die Öffnung kann nach der Montage mit Kunststoffpfropfen verschlossen werden, welche insbesondere, wenn die Drehstabfeder 2 anschließend mit einem Spritzgussprozess mit einer Schutzschicht aus Kunststoff umgeben wird, ideal und dicht diese Öffnungen verschließen. Eine Alternative zur Verwendung von Innendruck beim eventuellen Umformen des Querschnittsprofils besteht darin, Stempel mit Vakuumsaugern oder Nadelgreifen zu verwenden. Auch diese sind in der Lage, einen Einfall des Materials zu vermeiden. Eine weitere Alternative besteht darin, den Einfall mit einzuplanen und diesen bewusst zuzulassen, was insbesondere dann einfach und effizient möglich ist, wenn dieser reproduzierbar hergestellt werden kann.
Wie eingangs bereits erwähnt, kann es bei Bauteilen 1 aus faserverstärktem Kunststoff kritisch sein, wenn diese durch eine sehr hohe Belastung im Bereich einzelner Fasern beziehungsweise Faserbündel Brüche aufweisen, da dann lediglich eine Restfestigkeit gegeben ist und ein schlagartiges Versagen des Bauteils auftreten kann, wenn eine Belastung oberhalb dieser Restfestigkeit auftritt. Um dies zu verhindern, werden häufig größere Mengen an Verstärkungsfasern eingesetzt, um eine entsprechende Sicherheit zu schaffen. Da die Verstärkungsfasern jedoch das teuerste Material im Bereich des faserverstärkten Bauteils 1 darstellen, ist dies aus Kostengründen ein Nachteil. Außerdem wird das Bauteil unnötig schwer, sodass das Leichtbaupotenzial nicht voll ausgeschöpft werden kann. Aus diesem Grund können Sensoren 16 in die Drehstabfeder 2 mit integriert werden. Derartige Sensoren 16 können beispielsweise als Dehnungssensoren ausgebildet sein und können das Verhalten, insbesondere das Spannungs-Dehnungsverhalten, des rohrförmigen Bauteils 1 aufnehmen. Wenn dieses von einer vorgegebenen Kennlinie abweicht, da beispielsweise bereits erste Faserbrüche vorliegen, dann kann über die Sensoren ein Alarmsignal generiert werden, welches eine Untersuchung oder den Austausch der Drehstabfeder 2 fordert. Dadurch kann mit minimalem Einsatz an Verstärkungsfasern ein ideales, leichtes und dennoch hinsichtlich Versagen sehr sicheres Bauteil aufgebaut werden.
In der Darstellung der 10 ist ein solcher Aufbau an dem in 3 gezeigten Beispiel nochmals dargestellt. Im Bereich von drei belasteten Abschnitten des rohrförmigen Bauteils 1 ist jeweils ein Sensor 16 angebracht. Die Sensoren 16 sind dabei als Transponder 16, insbesondere als RFID-Transponder ausgebildet. Ein solcher RFID-Transponder ist beispielhaft in der Darstellung der 11 zu erkennen. Die RFIDs 16 können dabei selbst als Sensoren dienen, da eine Verformung ihre elektrischen Eigenschaften verändert, welche dann über ein Lesegerät 17, welches hier beispielhaft im Bereich eines Bordcomputers 18 des Fahrzeugs dargestellt ist, entsprechend ausgelesen werden kann. Die RFIDs 16 weisen dabei den Vorteil auf, dass diese über das Lesegerät 17 durch elektromagnetische Wellen angesteuert werden und daher ohne eigene Leistungsversorgung oder dergleichen auskommen. Sie melden dann eine entsprechende Veränderung zurück, sodass über das Lesegerät 17 und den Bordcomputer 18 eine direkte Auswertung der Sensoren 16 erfolgen kann. Die RFID-Sensoren 16 sind dabei sehr einfach und kostengünstig herstellbar und können beispielsweise unmittelbar eingesetzt werden oder in Kombination mit einem im Bereich, in dem sie angeordnet sind, angeordneten Konstantanfaden, welcher als Dehnungsmessstreifen funktioniert. Auch andere Bauformen von RFID geschtüzten Sensoren, beispielsweise Feuchtesensoren oder Temperatursensoren, sind am Markt erhältlich. Die RFID-Sensoren 16 sind dabei in einem Fahrzeug von besonderem Vorteil, da diese auch im Bereich von Reifendrucksensoren und dergleichen eingesetzt werden. Ein Lesegerät 17 zur Kommunikation mit RFID-Sensoren 16 ist daher typischerweise ohnehin vorhanden und kann einfach und effizient auch für RFID-Sensoren 16 im Bereich der Drehstabfeder 2 programmiert werden. Der gesamte Aufbau ist dabei sehr kostengünstig zu realisieren, sodass eine extrem leichte Drehstabfeder 2 ohne Einbußen hinsichtlich der Sicherheit realisiert werden kann.
Die RFIDs 16 können dabei im Bereich der Drehstabfeder 2 mit integriert werden, insbesondere können sie beim Aufbau der Drehstabfeder beziehungsweise des rohrförmigen Bauteils 1 der Drehstabfeder 2 mit in dieses Material einlaminiert werden. Eine Alternative hierzu ist das Aufkleben auf den rohrförmigen Rohling, welcher dann noch von einer optionalen Kunststoffschutzschicht 20 ummantelt wird. In der Darstellung der 12 ist dieser Anwendungsfall in einem Querschnitt beispielhaft dargestellt. Der RFID 16 ist über eine Zwischenschicht 19, beispielsweise eine Klebeschicht oder einen Primer, mit dem faserverstärkten Material des rohrförmigen Bauteils 1 verbunden. Die Zwischenschicht 19 dient dabei als Befestigung des RFIDs 16 während der Herstellung dient außerdem zur elektrischen Isolation des RFIDs 16 gegenüber den Fasern des rohrförmigen Bauteils 1, da es durch unterschiedliche Elektrokorrosivitäten der Fasern des metallischen Materials des RFIDs 16 hier ansonsten zu Kontaktkorrosion kommen könnte. Dieser Aufbau wird dann, wie bereits erwähnt, mit einer Kunststoffschicht 20 ummantelt, welche dann den RFID 16 mit umschließt, vor Umgebungseinflüssen schützt und diesen dauerhaft mit dem rohrförmigen Bauteil 1 verbindet, um so eine sichere und zuverlässige Integration in die Drehstabfeder 2 zu gewährleisten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011582 A1 [0004, 0004]
DE 102007003596 A1 [0005]

Claims

Drehstabfeder (2) für ein Fahrzeug mit einem gebogenen, im Wesentlichen rohrförmigen Bauteil (1), welches eine Torsionsfeder ausbildet dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Bauteil (1) aus einem mit Fasern verstärkten Kunststoffmaterial besteht.
Drehstabfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil im Wesentlichen rohrförmig, insbesondere als geschlossenes Hohlprofil ausgestaltet ist.
Drehstabfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil gebogen ausgestaltet ist.
Drehstabfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial einen thermoplastischen Kunststoff aufweist.
Drehstabfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) Fasern oder Faserbündel aus Glas, Aramid, Kevlar und/oder Kohlenstoff und/oder Kombinationen daraus aufweist.
Drehstabfeder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) Hybridrovings aus der Kombination verschiedener Fasern oder Faserbündel aufweist, vorzugsweise verbunden über eine ondulationsfreie Laminatlage aus einem aufgeschmolzenen Matrixfilament.
Drehstabfeder nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern oder Faserbündel als unidirektionale Geflechte ausgebildet sind. unidirektionale Geflechte (UD-Geflechte) bei denen nur jeweils die Hälfte der Flechtfäden aus den eigentlichen Verstärkungsfasern (hier: Hybridrovings) und die andere Hälfte aus Stützfäden (hier: Matrixfilament) besteht, wodurch die Fasern alle gestreckt und parallel verlaufen und durch die stark gekrümmten Stützfäden fixiert werden.
Drehstabfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anbauteile (6, 11, 10) an das Bauteil (1) angebracht, insbesondere angeklebt und/oder angespritzt oder formschlüssig mit dem Bauteil (1) verbunden sind.
Drehstabfeder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Anbauteile (6, 11, 10) metallische Einleger (9) in dem Bauteil (1) angeordnet sind und/oder dass das Bauteil (1) zusammen mit den Anbauteilen (6, 11, 10) mit einem Kunststoffmaterial ummantelt ist.
Drehstabfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) einen Sensor (16) zum Erfassen einer mechanischen Schädigung des Bauteils (1) aufweist, wobei zumindest ein Teil des Sensors (16) in das Bauteil (1) integriert ausgebildet ist.
Drehstabfeder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Teil des Sensors (16) mit einem Transponder verbunden ist oder einen Transponder bildet, welcher in das Bauteil integriert ausgebildet ist, wobei der Transponder vorzugsweise als RFID-Tansponder ausgebildet ist.
Drehstabfeder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lesegerät (17) zum berührungslosen Empfangen der Signale des Transponders (16) ausgebildet ist.