DE102016213365B4

DE102016213365B4 - Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder

Info

Publication number: DE102016213365B4
Application number: DE102016213365.9A
Authority: DE
Inventors: Rainer Souschek; Friedrich Wolf-Monheim; Thomas Gerhards; Ralf Hintzen; Daniel MAINZ; Alberto Girelli Consolaro; Paul Zandbergen; Marc Simon
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2036-07-22
Also published as: CN107639857A; DE102016213365A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder, insbesondere für eine Radaufhängung eines Fahrzeugs, aufweisend die Schritte:- Bereitstellen eines biegeschlaffen, langgestreckten Halbzeugs (3) aus einem Faserverbundwerkstoff;- Bereitstellen eines Schlauchs (4) aus einem elastischen Werkstoff;- Bewegen des Halbzeugs (3) durch einen sich in Richtung einer Bewegungsrichtung des Halbzeugs (3) verjüngenden Trichter (5) und durch einen Durchbruch (10) an einem bezüglich der Bewegungsrichtung des Halbzeugs (3) dem Trichter (5) nachgeschalteten, beabstandet zu dem Trichter (5) angeordneten Führungselement (8); und- Ummanteln des Halbzeugs (3) mit dem Schlauch (4), indem der Schlauch (4) während der Bewegung des Halbzeugs (3) gleichläufig zu dem Halbzeug (3) über eine Außenmantelfläche (7) des Trichters (5) und durch den Durchbruch (10) bewegt wird, wobei die Bewegung des Schlauchs (4) und die Bewegung des Halbzeugs (3) derart aufeinander abgestimmt werden, dass innerhalb des Durchbruchs (10) eine Bewegungsgeschwindigkeit des Schlauchs (4) einer Bewegungsgeschwindigkeit des Halbzeugs (3) entspricht, wobei das mit dem Schlauch (4) ummantelte Halbzeug (3) um einen Wickeldorn gewickelt wird, dessen Außenmantelfläche mit einer schraubenlinienförmig verlaufenden Nut zur zumindest teilweisen Aufnahme des ummantelten Halbzeugs (3) versehen ist, und dass der Faserverbundwerkstoff des auf den Wickeldorn gewickelten, ummantelten Halbzeugs (3) ausgehärtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder, insbesondere für eine Radaufhängung eines Fahrzeugs.
Schraubenfedern werden vielseitig in verschiedenen technologischen Bereichen eingesetzt. Insbesondere ist es bekannt, eine Radaufhängung eines Fahrzeugs mit Schraubenfedern zu versehen. Beispielsweise weist ein Federbein einer Radaufhängung eine Schraubenfeder auf, um ein Chassis des Fahrzeugs federnd gegenüber einem Rad des Fahrzeugs zu lagern.
Eine Schraubenfeder kann herkömmlich aus einem Stahlwerkstoff oder einem Verbundwerkstoff hergestellt werden. Durch Letzteres kann eine leichtgewichtigere Schraubenfeder geschaffen werden, was mit einer Gewichtsreduzierung eines damit ausgestatteten Fahrzeugs einhergeht. Diese Gewichtsreduzierung ist mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch und dadurch mit geringeren Schadstoffemissionen des Fahrzeugs verbunden. Zudem bietet eine Schraubenfeder aus einem Verbundwerkstoff eine höhere Designfreiheit, beispielsweise bezüglich einer sichtbaren Schraubenfederstruktur, einer Farbgebung mit oder ohne Lackierung und dergleichen.
Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder wird zunächst ein biegeschlaffes, langgestrecktes Halbzeug aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Der Faserverbundwerkstoff umfasst Fasern, die mit einem Matrixwerkstoff imprägniert sind. Anschließen wird das noch nasse bzw. klebrige Halbzeug auf irgendeine Art und Weise abgedeckt, um es während eines nachfolgenden Formgebungsvorgangs führen zu können, bei dem das Halbzeug derart umgeformt wird, dass es seine endgültige, schraubenlinienförmige Gestalt erhält. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus US 6 454 251 B1 bekannt.
Bei manchen Herstellungsverfahren kommt es aufgrund der Ausgestaltung der verwendeten Abdeckung für das Halbzeug dazu, dass an dem in seiner endgültigen Schraubenlinienform befindlichen Halbzeug ein sich entlang der Längserstreckung des Halbzeugs verlaufender Grat vorhanden ist, nachdem die Abdeckung von dem Halbzeug entfernt worden ist. Nach einem endgültigen Aushärten des Halbzeugs bzw. dessen Faserverbundwerkstoffs muss der Grat entfernt werden. Ein solches Entfernen ist ein schmutziger Vorgang, zeitaufwändig und von niedriger Qualität.
Aus US 5 098 493 A ist ein Verfahren zum Herstellen einer Feder bekannt, bei dem ein biegeschlaffes Seil aus einem Faserverbundwerkstoff durch eine schlauchförmige Hülle gezogen wird. Die schlauchförmige Hülle ermöglicht eine bessere Handhabung des Seils während der weiteren Verarbeitung. Da der Faserverbundwerkstoff jedoch nicht ausgehärtet und somit nass bzw. klebrig ist, bevor das Seil durch die schlauchförmige Hülle gezogen wird, ist dieses Durchziehen des Seils durch die Hülle relativ schwierig und kann dazu führen, dass die Hülle den Matrixwerkstoff des Faserverbundwerkstoffs von der Oberfläche des Seils abschiebt, was zu einer endfertigen Feder mit schlechterer Qualität führt.
Aus der DE 18 01 709 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung fadenverstärkter Profilteile bekannt.
Aus der US 2002 / 0 190 451 A1 sind faserverstärkter Federbauteile bekannt.
Aus der DE 10 2012 112 939 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Infiltration einer Faserpreform bekannt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung von Schraubenfedern aus einem Faserverbundwerkstoff zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in der nachfolgenden Beschreibung, den abhängigen Patentansprüchen und der Figur wiedergegeben, wobei diese Ausgestaltungen jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombination miteinander einen weiterbildenden, insbesondere auch bevorzugten oder vorteilhaften, Aspekt der Erfindung darstellen können.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder, insbesondere für eine Radaufhängung eines Fahrzeugs, umfasst die Schritte:

- Bereitstellen eines biegeschlaffen, langgestreckten Halbzeugs aus einem Faserverbundwerkstoff;
- Bereitstellen eines Schlauchs aus einem elastischen Werkstoff;
- Bewegen des Halbzeugs durch einen sich in Richtung einer Bewegungsrichtung des Halbzeugs verjüngenden Trichter und durch einen Durchbruch an einem bezüglich der Bewegungsrichtung des Halbzeugs dem Trichter nachgeschalteten, beabstandet zu dem Trichter angeordneten Führungselement; und
- Ummanteln des Halbzeugs mit dem Schlauch, indem der Schlauch während der Bewegung des Halbzeugs gleichläufig zu dem Halbzeug über eine Außenmantelfläche des Trichters und durch den Durchbruch bewegt wird, wobei die Bewegung des Schlauchs und die Bewegung des Halbzeugs derart aufeinander abgestimmt werden, dass innerhalb des Durchbruchs eine Bewegungsgeschwindigkeit des Schlauchs einer Bewegungsgeschwindigkeit des Halbzeugs entspricht,

Hierdurch wird das mit dem Schlauch ummantelte Halbzeug in eine schraubenlinienförmige Gestalt gebracht und in dieser ausgehärtet. Anschließend wird die so hergestellte Schraubenfeder von dem Wickeldorn entfernt. Der Schlauch kann entfernt werden oder eine Außenhaut der Schraubenfeder bilden.
Es wird das biegeschlaffe, langgestreckte Halbzeug aus dem Faserverbundwerkstoff zusammen mit dem Schlauch aus dem elastischen Werkstoff durch den Durchbruch an dem Führungselement bewegt, beispielsweise gezogen, so dass sich der Schlauch von außen umlaufend an das Halbzeug anlegt. Bis zu dem Durchbruch werden das Halbzeug und der Schlauch getrennt voneinander zugeführt. Insbesondere wird das Halbzeug durch den Trichter und der Schlauch über die Außenmantelfläche des Trichters zugeführt und treffen in dem Durchbruch aufeinander. Da das Halbzeug zu diesem Zeitpunkt noch nicht ausgehärtet ist, wodurch die Biegeschlaffheit des Halbzeugs begründet ist, ist seine Außenseite nass bzw. klebrig. In dem Durchbruch wird der Schlauch mit dem Halbzeug verklebt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist schnell und einfach durchführbar, ohne dass ein Grat an einer Außenseite der fertigen Schraubenfeder vorhanden ist, der aufwändig entfernt werden müsste. Hierdurch kann eine Schraubenfeder mit höherer Qualität hergestellt werden. Das Bereitstellen des biegeschlaffen, langgestreckten Halbzeugs aus dem Faserverbundwerkstoff kann ein Herstellen dieses Halbzeugs umfassen. Das Halbzeug kann beispielsweise seilförmig ausgebildet werden und eine etwa kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen. Dass das Halbzeug biegeschlaff ist, ist dahingehend zu verstehen, dass der Matrixwerkstoff des Faserverbundwerkstoffs noch nicht ausgehärtet ist.
Das Bereitstellen des Schlauchs aus dem elastischen Werkstoff kann ein Herstellen des Schlauchs umfassen. Der Schlauch kann derart ausgebildet sein, dass eine Querschnittsfläche einer den Schlauch in seiner Längserstreckung durchlaufenden Durchgangsöffnung in einem unbelasteten Zustand des Schlauchs, in dem der Schlauch nicht elastisch aufgeweitet ist, kleiner als die Querschnittsfläche des Halbzeugs ist. Hierdurch kann sich der Schlauch in dem Durchbruch und danach fest von außen an das Halbzeug anschmiegen. Der Schlauch kann flüssigkeitsdicht hergestellt sein. Hierdurch kann verhindert werden, dass der Matrixwerkstoff des Faserverbundwerkstoffs aus den Zwischenräumen zwischen den Fasern austritt. Der Schlauch verbleibt an dem Halbzeug, um eine nachfolgende Führung des nassen bzw. klebrigen Halbzeugs während einer Umformung des Halbzeugs in eine endgültige schraubenlinienförmige Gestalt zu ermöglichen. Der Schlauch kann auch eine äußere Haut der endfertigen Schraubenfeder bilden, wodurch das ausgehärtete Halbzeug gegen Steinschlag geschützt wird. Zudem kann der Schlauch mit einer gewünschten Farbgebung versehen sein, so dass keine herkömmliche Lackierung der Schraubenfeder erforderlich ist. Der elastische Werkstoff des Schlauchs kann Fasern aufweisen oder auch nicht.
Das Bewegen des Halbzeugs durch den sich in Richtung der Bewegungsrichtung des Halbzeugs verjüngenden Trichter und durch den Durchbruch an dem bezüglich der Bewegungsrichtung des Halbzeugs dem Trichter nachgeschalteten, beabstandet zu dem Trichter angeordneten Führungselement kann durch ein Ziehen des Halbzeugs durch den Trichter und den Durchbruch realisiert sein.
Zum Ummanteln des Halbzeugs mit dem Schlauch wird der Schlauch während der Bewegung des Halbzeugs gleichläufig zu dem Halbzeug über eine Außenmantelfläche des Trichters und durch den Durchbruch bewegt, so dass der Schlauch und das Halbzeug gemeinsam durch den Durchbruch bewegt, insbesondere gezogen, werden. Hierbei sind die Bewegung des Schlauchs und die Bewegung des Halbzeugs derart aufeinander abgestimmt, dass innerhalb des Durchbruchs eine Bewegungsgeschwindigkeit des Schlauchs einer Bewegungsgeschwindigkeit des Halbzeugs entspricht. Hierdurch wird verhindert, dass der Matrixwerkstoff des Faserverbundwerkstoffs durch eine Relativbewegung zwischen dem Halbzeug und dem Schlauch von der Oberfläche des Halbzeugs abgeschoben wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Faserverbundwerkstoff aus mit einem Matrixwerkstoff imprägnierten Fasern hergestellt, die ein Geflecht oder ein Gewebe bilden. Der Matrixwerkstoff kann insbesondere in Form eines Prepreg-Werkstoffs hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als elastischer Werkstoff Gummi, Silikon oder Kunststoff verwendet. Solche Werkstoffe und anderweitige Elastomere verleihen dem Schlauch die gewünschte Elastizität.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Figur anhand einer bevorzugten Ausführungsform exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend genannten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen, als auch in unterschiedlicher Kombination miteinander einen vorteilhaften oder weiterbildenden Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung 1 zum Herstellen eines biegeschlaffen, langgestreckten Schraubenfederhalbzeugs 2 für eine nicht gezeigte Schraubenfeder für eine Radaufhängung eines Fahrzeugs. Das Schraubenfederhalbzeug 2 umfasst ein seilförmiges Halbzeug 3 aus einem Faserverbundwerkstoff, das mit einem elastischen Schlauch 4 ummantelt ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen Trichter 5, durch den das Halbzeug 3 in Richtung eines verjüngten Endes 6 des Trichters 5 bewegbar ist und über dessen Außenmantelfläche 7 der Schlauch 4 gleichläufig zu dem Halbzeug 3 bewegbar ist.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 ein dem verjüngten Ende 6 des Trichters 5 nachgeschaltetes, beabstandet zu dem Trichter 5 angeordnetes Führungselement 8 mit einem koaxial zu einer Längsmittelachse 9 des Trichters 5 angeordneten Durchbruch 10, durch den das Halbzeug 3 und der das Halbzeug 3 radial außen umgebende Schlauch 4 gleichzeitig bewegbar sind. Eine Querschnittsfläche des Durchbruchs 10 ist derart dimensioniert, dass sich der Schlauch 4 in dem Durchbruch 10 an einer Außenmantelfläche 11 des Halbzeugs 3 anlegt und mit dieser verklebt. An einer dem Trichter 5 zugewandten Seite 12 des Führungselements 8 ist eine umlaufend um den Durchbruch 10 verlaufende Fase 13 ausgebildet, die als konvexe Abrundung ausgebildet ist.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder für eine Radaufhängung eines Fahrzeugs erläutert, das unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung 1 durchgeführt wird.
Zunächst werden das biegeschlaffe, langgestreckte Halbzeugs 3 aus dem Faserverbundwerkstoff und der Schlauch 4 aus dem elastischen Werkstoff bereitgestellt.
Das Halbzeug 3 wird durch den sich in Richtung der durch den Pfeil 14 angedeuteten Bewegungsrichtung des Halbzeugs 3 verjüngenden Trichter 5 und durch den Durchbruch 10 an dem bezüglich der Bewegungsrichtung des Halbzeugs 3 dem Trichter 5 nachgeschalteten, beabstandet zu dem Trichter 5 angeordneten Führungselement 8 bewegt bzw. gezogen. Gleichzeitig wird das Halbzeug 3 mit dem Schlauch 4 ummantelt, indem der Schlauch 4 während der Bewegung des Halbzeugs 3 entsprechend den Pfeilen 15 gleichläufig zu dem Halbzeug 3 über die Außenmantelfläche 7 des Trichters 5 und durch den Durchbruch 10 bewegt wird. Dabei werden die Bewegung des Schlauchs 4 und die Bewegung des Halbzeugs 3 derart aufeinander abgestimmt, dass innerhalb des Durchbruchs 10 eine Bewegungsgeschwindigkeit des Schlauchs 4 einer Bewegungsgeschwindigkeit des Halbzeugs 3 entspricht.
Der Faserverbundwerkstoff des Halbzeugs 3 kann aus mit einem Matrixwerkstoff imprägnierten Fasern hergestellt werden, die ein Geflecht oder ein Gewebe bilden. Als elastischer Werkstoff des Schlauchs 4 kann Gummi, Silikon oder Kunststoff verwendet werden.
Nachdem das Halbzeug 3 auf die beschriebene Art und Weise mit dem Schlauch 4 ummantelt worden ist, wird das mit dem Schlauch 4 ummantelte Halbzeug 3 um einen nicht gezeigten Wickeldorn gewickelt, dessen Außenmantelfläche mit einer schraubenlinienförmig verlaufenden Nut zur zumindest teilweisen Aufnahme des ummantelten Halbzeugs 3 versehen ist. Anschließend kann der Faserverbundwerkstoff des um den Wickeldorn gewickelten, ummantelten Halbzeugs 3 ausgehärtet werden. Hierdurch wird die Schraubenfeder endfertig hergestellt und kann von dem Wickeldorn entfernt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Schraubenfederhalbzeug
3: Halbzeug
4: Schlauch
5: Trichter
6: verjüngtes Ende von 5
7: Außenmantelfläche von 5
8: Führungselement
9: Längsmittelachse von 5
10: Durchbruch
11: Außenmantelfläche von 3
12: Seite von 8
13: Fase von 8
14: Pfeil (Bewegungsrichtung von 3)
15: Pfeil (Bewegungsrichtung von 4)

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Schraubenfeder, insbesondere für eine Radaufhängung eines Fahrzeugs, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines biegeschlaffen, langgestreckten Halbzeugs (3) aus einem Faserverbundwerkstoff; - Bereitstellen eines Schlauchs (4) aus einem elastischen Werkstoff; - Bewegen des Halbzeugs (3) durch einen sich in Richtung einer Bewegungsrichtung des Halbzeugs (3) verjüngenden Trichter (5) und durch einen Durchbruch (10) an einem bezüglich der Bewegungsrichtung des Halbzeugs (3) dem Trichter (5) nachgeschalteten, beabstandet zu dem Trichter (5) angeordneten Führungselement (8); und - Ummanteln des Halbzeugs (3) mit dem Schlauch (4), indem der Schlauch (4) während der Bewegung des Halbzeugs (3) gleichläufig zu dem Halbzeug (3) über eine Außenmantelfläche (7) des Trichters (5) und durch den Durchbruch (10) bewegt wird, wobei die Bewegung des Schlauchs (4) und die Bewegung des Halbzeugs (3) derart aufeinander abgestimmt werden, dass innerhalb des Durchbruchs (10) eine Bewegungsgeschwindigkeit des Schlauchs (4) einer Bewegungsgeschwindigkeit des Halbzeugs (3) entspricht, wobei das mit dem Schlauch (4) ummantelte Halbzeug (3) um einen Wickeldorn gewickelt wird, dessen Außenmantelfläche mit einer schraubenlinienförmig verlaufenden Nut zur zumindest teilweisen Aufnahme des ummantelten Halbzeugs (3) versehen ist, und dass der Faserverbundwerkstoff des auf den Wickeldorn gewickelten, ummantelten Halbzeugs (3) ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff aus mit einem Matrixwerkstoff imprägnierten Fasern hergestellt wird, die ein Geflecht oder ein Gewebe bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elastischer Werkstoff Gummi, Silikon oder Kunststoff verwendet wird.