DE19854692A1 - Federelement aus Faserverbundwerkstoff mit eingelagerten weichen Schichten - Google Patents

Abstract

Federelement (1) zur Übertragung hoher Lasten mit einer verhältnismäßig geringen Steifigkeit, das zumindest zwei schubsteife Schichten (21, 22) und zumindest eine schubweiche Schicht (23) umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Federelement zur Übertragung hoher Lasten mit einer verhältnismäßig geringen Steifigkeit, das zumindest zwei schubsteife Schichten und zumindest eine schubweiche Schicht umfaßt.

Federn aus Faserverbundwerkstoff (FVW) haben als Blattfedern schon eine gewisse Verbreitung erreicht. Die Anforderungen an derartige Federn ver­ langen meist die Übertragung hoher Lasten bei gleichzeitig niedriger Stei­ figkeit.

Es sind Federn z. B. für Eisenbahndrehgestelle bekannt; die im wesentli­ chen aus einem weitgehend homogenen Material, z. B. Stahl, gebildet sind. Diese werden insbesondere relativ hoch auf Biegung und Querkraft bela­ stet. Da eine hohe Biegefestigkeit und Schubfestigkeit des Materials nur durch entsprechend großen Materialaufwand erreichbar sind, können die gleichzeitig geforderten geringen Federsteifigkeiten oft nur schwer und mit großer Baulänge der Feder erreicht werden. Ein weiterer, daraus resultie­ render Nachteil insbesondere bei Federanordnungen von Eisenbahndreh­ gestellen ist, daß sich diese zusammensetzen aus einer Primärfederung, d. h. die Federung in den Radlagern, sowie eine durch die Weichheit des Drehgestells und die Lagerung der Zelle auf dem Drehgestell bewirkte Se­ kundärfederung. Zur Erreichung der geforderten Federweichheit sind also mehrere Federelemente vorgesehen. Dadurch ergibt sich ein verhältnis­ mäßig großer Aufwand an Komponenten und dadurch auch hinsichtlich der Herstellung und der Wartung solcher Drehgestelle.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Federelement insbesondere zur Anwendung für Drehgestelle von Fahrzeugen zu schaffen, die eine ge­ ringe Federsteifigkeit bei gleichzeitig hoher Lastaufnahmefähigkeit auf­ weist.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des An­ spruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäßen Federelemente weisen eine geringe Federsteifig­ keit bei gleichzeitiger Aufnahmefähigkeit von besonders hohen Traglasten auf. Dadurch können üblicherweise auch Federanordnungen beispielsweise im Fahrzeugbau einfacher gestaltet werden, da mehrere zusammenwirken­ de Federelemente in diesen Anordnungen durch eine verhältnismäßig wei­ che, jedoch hochbelastbare Feder ersetzt werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Federsteifigkeit des erfin­ dungsgemäßen Federelements durch die Auslegung der weichen Zwi­ schenschichten hinsichtlich ihrer Dicke und Anzahl gezielt angepaßt wer­ den kann, so daß mit einfachen Mitteln die für den jeweiligen Anwendungs­ fall geforderte Feder-Funktion bewerkstelligt werden kann.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Federelement ist auch, daß durch die gezielte Auswahl des Materials für die Zwischenschichten die Dämp­ fungseigenschaften des Federelements genau auf die jeweiligen dynami­ schen Anforderungen eingestellt werden können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 den Aufbau des erfindungsgemäßen Federelements mit einge­ betteten weichen Schichten,

Fig. 2 das Verformungsverhalten einer Biegefeder nach dem Stand der Technik, und

Fig. 3 das Verformungsverhalten des erfindungsgemäßen Federele­ ments, wobei das dargestellte Federelement zwei schubsteife Schichten aufweist, in die eine schubweiche Schicht eingebettet ist.

Das in der Fig. 1 gezeigte Federelement 1 weist mehrere schubsteife Schichten 5 auf. Zwischen jeweils zwei schubsteifen Schichten 5 ist jeweils eine schubweiche Schicht 7 eingebettet.

Als schubsteife Schicht 5 ist vorzugsweise eine Faserverbundwerk­ stoff(FVW)-Schicht, z. B. ein unidirektionales Kohlefaserlaminat vorgese­ hen. Als schubsteife Schicht 5 kann jedoch auch Stahl oder ein anderes geeignetes Material verwendet werden.

Als schubweiche Schicht 7 ist vorzugsweise ein Elastomer, z. B. Styren- Butadien-Gummi vorgesehen.

Die Verbindung zwischen jeweils einer schubsteifen Schicht 5 und einer schubweichen Schicht 7 erfolgt nach dem Stand der Technik, z. B. kann die schubsteife Schicht 5 mit der schubweichen Schicht 7 verklebt sein. Die Verklebung muß nicht über der gesamten gemeinsamen Anlagefläche er­ folgen. Die schubweiche Schicht muß aber mit der schubsteifen Schicht entlang der jeweils anliegenden Flächen derart miteinander verbunden sein, daß Verbiegungen z. B. aufgrund von Kräften oder Momenten von ei­ ner Schicht auf die andere übertragen werden.

Aus dem Vergleich der Fig. 2 und 3 geht das unterschiedliche Verfor­ mungsverhalten hervor, das das erfindungsgemäße Federelement im Ver­ gleich zu einer Feder nach dem Stand der Technik aufweist. Die Fig. 2 zeigt das Verformungsverhalten einer Feder nach dem Stand der Technik. Die unbelastete, einseitig eingespannte Feder 11 erstreckt sich in horizon­ taler Richtung von der Einspannung aus weg. Wird die Feder mit einer Kraft 13 belastet, so bewirkt sie qualitativ eine bekannte Biegelinie 14, die kei­ nen Wendepunkt aufweist.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Federele­ ments mit einer ersten schubsteifen Schicht 21, einer zweiten schubstei­ fen Schicht 22 und einer schubweichen Schicht 23, die zwischen der er­ sten 21 und der zweiten 22 schubsteifen Schicht gelegen ist. Die schub­ weiche Schicht 23 ist mit der jeweils anliegenden schubsteifen Schicht 22, 23 nach dem Stand der Technik verbunden, z. B. indem sie miteinander verklebt sind. Die Fig. 3 zeigt weiterhin den Zustand, in dem das einseitig eingespannte erfindungsgemäße Federelement 1 an dessen freiem Ende mit der Kraft 24 belastet wird. Im Gegensatz zu der Biegelinie 14, die bei der Feder nach dem Stand der Technik auftritt (Fig. 2), bildet sich bei dem erfindungsgemäßen Federelement 1 eine Biegelinie aus, die einen Wende­ punkt 25 aufweist. Der S-förmige Verlauf der Biegelinie 29 kommt dadurch zu Stande, daß bei dem belasteten Federelement 1 zwischen dessen Be­ reichen lokaler Biegung 31 ein Bereich 33 gelegen ist, in dem im Gegen­ satz zu den Bereichen 31, die nahe den Stellen der Krafteinleitung gelegen sind, im wesentlichen keine oder zumindest eine deutlich geringere Bie­ gung, sondern in dem eine Schubverformung in der schubweichen Schicht 23 auftritt.

Gegenüber einer Feder mit der gleichen Querschnittsfläche ist bei dem er­ findungsgemäßen Federelement 1 die effektive Querschnittsfläche der schubsteifen Schichten 21, 22 nur ein Bruchteil der gesamten Quer­ schnittsfläche, die beim Stand der Technik vollständig vom schubsteifen Material ausgefüllt wird. Durch den Anteil der schubweichen Schicht 23 an der Querschnittsfläche ist die Elastizität des erfindungsgemäßen Fe­ derelements 1 wesentlich größer als beim Stand der Technik. Bei nahezu unveränderter Elastizität kann jedoch durch das Einbauen schubweicher Schichten 23 die Belastbarkeit des gesamten Federelements 1 erhöht werden. Dadurch wird im Vergleich zu den Federn nach dem Stand der Technik ein Federelement 1 geschaffen, das weich ist und gleichzeitig gro­ ße Lasten übertragen kann.

Über zumindest eine eingebaute schubweiche Schicht 23 kann noch eine zusätzliche Strukturdämpfung erreicht werden, so daß die dynamische Be­ lastung der gesamten Struktur, die von dem Federelement 1 getragen wird, reduziert wird. Weiterhin kann dadurch auch eine Geräuschdämpfung ge­ zielt erreicht werden.

Durch eine entsprechende Bauweise wird auch ein torsionsweiches Bauteil erhalten.

Die Anzahl der schubsteifen Schichten 21, 22 und der zumindest einen schubweichen Schicht 23 hängt vom Anwendungsfall ab, für den das erfin­ dungsgemäße Federelement 1 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß sind zu­ mindest zwei schubsteife Schichten 21, 22 und zumindest eine schubwei­ che Schicht 23 vorgesehen. Dabei muß es sich jedoch nicht um Schichten handeln, die sich horizontal erstrecken. Die Schichten können vielmehr auch gewölbt und insbesondere rund sein oder können beispielsweise auch winklig zueinander angeordnet sein. Erfindungsgemäß jedoch ist in zumindest einer Belastungsrichtung mindestens eine schubsteife Schicht 21, 22 und mindestens ein schubweiche Schicht 23 übereinander ange­ ordnet und miteinander verbunden.

Die Eigenschaften des Federelements 1 kann durch gezielte Auswahl der Anzahl, der Dicke und des Materials der Schichten 21, 22, 23 beeinflußt werden. Durch die gezielte Auswahl der Anzahl, der Dicke und des Materi­ als der Schichten 21, 22, 23, und zwar insbesondere für die zumindest eine schubweiche Schicht 23 ist die Steifigkeit und die Dämpfungseigenschaft des Federelements 1 auf die jeweiligen Anforderungen einstellbar. Dadurch kann vorgesehen sein, daß das Material einer oder mehrerer Schichten 21, 22, 23 veränderbar ist. Außerdem kann dadurch erreicht werden, daß die Dicken der jeweiligen Schichten 21, 22, 23 oder auch die Anzahl der Schichten 21, 22, 23 verändert wird. Durch die gezielte Auswahl des Mate­ rials für die Schichten 21, 22, 23, und zwar insbesondere für die zumindest eine schubweiche Schicht 23, ist die Dämpfungseigenschaft der Blattfeder auf die jeweiligen Anforderungen einstellbar. Durch die Variierung der zu­ mindest einen schubweichen Schicht 23 kann die Schubsteifigkeit des Fe­ derelements 1 gezielt angepaßt werden.

Das erfindungsgemäße Federelement 1 kann zur Lagerung von Bauteilen jeder Art vorgesehen sein, insbesondere zur Lagerung von Fahrzeug-Zellen. Durch die Weichheit des Federelements 1 wird Einbauraum gespart und gleichzeitig eine große Weichheit und große Belastbarkeit erreicht. Da­ durch ist es möglich, daß z. B. mehrere Federelemente nach dem Stand der Technik durch ein erfindungsgemäßes Federelement 1 ersetzt werden kann.

Claims (7)

1. Federelement für große Traglasten, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (1) zumindest zwei schubsteife Schichten (21, 22) und zumindest eine an diesen anliegende schubweiche Schicht (23) um­ faßt, wobei die zumindest eine schubweiche Schicht (23) entlang der ge­ meinsamen Anlagefläche mit den zumindest zwei schubsteifen Schichten (21, 22) verbunden ist.

2. Federelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schubsteifen Schichten (21, 22) aus Faserverbundwerkstoff gebildet ist.

3. Federelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundwerkstoff ein unidirektionales Kohlefaserlaminat ist.

4. Federelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schubsteife Schicht (21, 22) aus Stahl gebildet ist.

5. Federelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die schubweiche Schicht aus einem Elasto­ mer gebildet ist.

6. Federelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer aus Styren-Butadien-Gummi gebildet ist.

7. Federelement nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der zumindest zwei schubsteifen Schichten (21, 22) und die Anzahl der zumindest einen schubweichen Schicht (23) veränderlich ist.