DE20006316U1 - Gabel bzw. Teile einer Gabel in Lamelenbauweise, insbesondere aus endlosfaserverstärkten Faserverbundwerkstoffen speziell mit thermoplastischen Matrixwerkstoffen - Google Patents
Gabel bzw. Teile einer Gabel in Lamelenbauweise, insbesondere aus endlosfaserverstärkten Faserverbundwerkstoffen speziell mit thermoplastischen MatrixwerkstoffenInfo
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Description
Gabel bzw.Teile einer Gabel in Lamellenbauweise, insbesondere aus endlosfaserverstärkten Faserverbundwerkstoffen speziell mit thermoplastischen Matrixwerkstoffen
Die Erfindung betrifft die Bauweise und Herstellungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 von Gabeln zur Führung (Aufhängung) von Laufrädern, insbesondere bei Fahrzeugen. Die Beschreibung der Erfindung soll am Beispiel von Vorderradgabeln für Fahrräder und Mofas erfolgen.
Die Erfindung betrifft auch andere Anwendungen in der Technik, bei der ähnliche Anforderungen (z.B. bzgl.Funktion, Belastung" etc.) wie in dieser Schrift beschrieben zu erwarten sind, bzw. die den Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. einen oder mehrere Unteransprüche betreffen.
Vorderradgabeln bestehen i.A. aus den Teilen Gabelschaft, Gabelkopf, Gabelscheiden (Gabelholmen) und Ausfallenden, wobei diese einzelnen Bauteile einer Gabel in Stahl, Leichtmetall oder Kunststoff(z.B. Faserverbundwerkstoffen) oder Kombinationen dieser Materialien ausgeführt sein können.
Bei Fahrradgabeln ist der Übergang vom Gabelschaft zu den Gabelscheiden i.A. so gelöst, daß der Schaft und die Scheiden in eine gemeinsame Gabelkopfmuffe eingelötet oder geklebt sind, oder daß die Scheiden an den nach unten verlängerten Schaft angeschweißt sind. Nach dem Fügen ist eine umfangreiche, Umwelt belastende und sorgfältige Reinigung erforderlich, bevor eine Oberflächenbehandlung wie Lackieren, Galvanisieren etc. erfolgen kann. Bei spanabhebender Herstellung des Gabelkopfes fällt relativ viel Verschnitt an; bei aus Metall gegossenem Gabelkopf wird zusätzliche Energie benötigt.
Dem gegenüber stehen Vorderradgabeln, bei denen beide Scheiden zusammen mit dem Gabelkopf und einem Gabelschaftstumpf bzw. dem gesamten Gabelschaft integral und in einem Arbeitsgang aus Faser verstärkten Duroplasten gefertigt werden. Ihre Herstellung ist sehr zeitaufwendig, nicht automatisierbar und daher teuer.
Bei der Verwendung von duroplastischen Faserverbundwerkstoffen als Werkstoff für Gabelschaft, Gabelkopf und Gabelscheiden kommt ein Fügen durch Schweißen nicht in Frage.
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Insbesondere die Nichtschweißbarkeit und die Nichtumförmbarkeit unter Wärmeeinwirkung stehen einer Automatisierung und somit der rationellen Anwendbarkeit von Duroplasten entgegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß die Gabel und/oder Teile einer Gabel möglichst preiswert und mit hoher Belastbarkeit, insbesondere an der stelle mit dem höchsten Biegemoment, welches beim unteren Steuerssatzlager liegt, aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden können.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, daß beim Herstellungsverfahren auch aufwendigere Halbzeuge aus Langfaser verstärkten Thermo- und/oder Duroplasten Z1Ur Anwendung gebracht werden können.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde,daß bei der Anwendung von Faserverbundwerkstoffen ein hoher Automatisierungsgrad erreicht werden kann.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, daß bei der Anwendung von Faserverbundwerkstoffen in der Serienfertigung eine gute Reproduzierbarkeit, insbesondere bzgl. der Faserorientierung, erreicht werden kann.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, daß bei der Anwendung von Faserverbundwerkstoffen in der Serienfertigung eine gute Reproduzierbarkeit, insbesondere bzgl. der Faserorientierung, erreicht werden kann.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, daß bei der Anwendung von Halbzeugen aus Faserverbundwerkstoffen aber auch anderen Materialien möglichst wenig spanabhebende Nacharbeit erforderlich ist und wenig Verschnitt bzw. Abfall anfällt. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, daß bei der Ausführung des Gabelschaftes, Gabelkopfes und der Gabelscheiden möglichst einfache z.B. bandartige Halbzeuge, welche rationell umgeformt und gefügt werden können, zur Anwendung kommen können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Gabel oder Teile einer Gabel konstruktiv in Schichten d.h. lamellenartig bzw. in Streifen, Fäden, Rovings, Strängen, Geweben, Prepregs, Geflechten, Folien und/oder sonstigen flächigen Gebilden so ausgeführt sind, daß diese durch ein rationelles formgebendes Verfahren mit standartisierten bzw. genormten Halbzeugen aus Faserverbundwerkstoffen und/oder aber auch Metallen, welche in Schichten und/oder Bündeln angeordnet sind, in Preßwerkzeugen hergestellt werden können. Durch die Erfindung wird eine rationelle Anwendung von höherwertigen Halbzeugen aus Faserverbundwerkstoffen bei der Herstellung von Gabeln ermöglicht. Ebenso wird durch die Erfindung eine rationelle
Anwendung von metallischen Halbzeugen mit entsprechendem Querschnitt bei der Herstellung von Gabelköpfen ermöglicht. Ferner können die Halbzeuge unmittelbar vor dem formgebenden Verfahren extrudiert und/ oder pultrudiert sein, dergestalt, daß sie noch ihre Umformungstemperatur haben und somit zwischen Halbzeugherstellung und Teileherstellung keine Abkühlung erfolgt und somit die Werkstoffeigenschaften verbessert werden und eine Energieeinsparung erreicht werden kann.
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Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Gabelkopf/Gabelschafteinheit werden gerade möglichst biegeweiche Halbzeuge(l) und/oder vorgeformte Halbzeuge(2), die zusätzlich auf Umformungstemperatur vorgewärmt sein können, in ein Preßwerkzeug eingelegt. Nach dem Schließen der Deckplatte(13) werden die Seitenteile (14) zusammengefahren, so daß die Halbzeuge unter möglichst hohem Druck verpreßt werden (Fig. 1 bis 3 und 19 und 20). Gleichzeitig wird die Werkz"eugform auf die Schmelztemperatur des verwendeten Thermoplastes aufgeheizt, um bei sog. vorkonsolidierten Werkstoffen die einzelnen Halbzeuge miteinander zu verbinden bzw. zu verschweißen. Bei nicht vorkonsolidierten Werkstoffen findet durch den hohen Verarbeitungsdruck gleichzeitig auch die endgültige Konsolidierung des Werkstoffes statt. Bei Werkstoffen, bei denen der thermo- und/oder duroplastische Matrixwerkstoff den Verstärkungsfasern lose beigemischt ist, z.B. als Pulver, bzw. bei Faserverbundwerkstoffen, die aus Mischgarnen und/oder Hybridgeweben bestehen, findet ebenfalls, durch den hohen Druck bei Schmelztemperatur (bzw. Polymerisationstemperatur bei Duroplasten) die endgültige Konsolidierung statt. Nach dem Abkühlen kann die Gabelschaft/Gabelkopfeinheit entnommen werden. Werden entsprechend feine Halbzeuge verwendet, kann des Preßwerkzeug so gestaltet sein, daß das Werkstück nach dem Entformen bereits genau maßhaltig ist. Kommen gröbere, z.B. bandartige Halbzeuge (Fig. 1 bis 3 und 8) zur Anwendung, ist in den meisten Fällen eine anschließende spanabhebende Nachbearbeitung vorzusehen? es sei denn, es können extrem hohe Verarbeitungsdrücke realisiert werden.bzw. wenn die Halbzeuge bereits beim Einbringen in das Negativformwerkzeug durch Erwärmung sehr gut verformbar sind.
Zur Gewichtsreduzierung kann das Gabelschaftrohr, aber auch der Bereich des Gabelkopfes ausgearbeitet (z.B. ausgebohrt) werden. Es können aber auch bei der Verpressung innenliegende Dorne verwendet werden, welche anschließend wieder herausgezogen werden können.
Zur Herstellung der Gabelscheiden können bandartige und/oder flächige Halbzeuge(Bleche, insbesondere Organobleche, Gewebe, Gelege, Preppregs, Vliese, Folien, etc.)/ aber auch über Kreuz
gelegte fadenförmige Halbzeuge (Rovings, Stränge),die aus Thermo- und/oder Duroplasten zugeschnitten werden und in einem Preßwerkzeug unter Druck bei der Schmelztemperatur des verwendeteten Thermoplastes bzw. der Härtungstemperatur des verwendeten Duroplastes untereinander verbunden werden. Es können so offene Querschnitte (Fig. 13 und 14) realisiert werden. Bei der Verwendung eines Dornes können auch geschlossene Querschnitte hergestellt werden und die verschiedensten thermoplastischen Halbzeuge zur Anwendung kommen.
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Claims (38)
1. Gabel gemäß Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß diese oder Teile derselben, insbesondere der Gabelkopf, ganz oder teilweise lamellenartig aus Halbzeugen mit beliebigem Querschnitt (rund, quadratisch, rechteckig etc.) aufgebaut sind (Fig. 1, 2, 3, 4, 5a, 5b, 6, 7a, 7b).
2. Gabel gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten platten- bzw. blechartigen bzw. bandförmigen thermoplastischen Halbzeuge die verschiedensten Faserorientierungen(5) aufweisen. (Fig. 21a bis f)
3. Gabel gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß somit je nach örtlicher Bauteilbeanspruchung das optimale Halbzeug mit der entsprechenden Faserorientierung gewählt werden kann.
4. Gabel gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten thermoplastischen Halbzeuge mit Langfasern und/oder Kurzfasern verstärkt sind und daß bei entsprechend hoch belastbaren Thermoplasten u. U. auch auf eine Faserverstärkung verzichtet wird.
5. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Gabelschaft und/oder Gabelkopf bzw. (Roh)/Gabelkopf lamellenartig aus Halbzeugen zusammengesetzt ist, welche aus metallischen und/oder thermoplastischen Halbzeugen(1) vorgeformt (gebogen, gestaucht, gestreckt, gestanzt, pressverformt, tiefgezogen, supraplastverformt, membranverfomit, geblasen etc.) sind. Diese vorgeformten Halbzeuge(2) sind zu einer Gabel bzw. einem Gabelschaft bzw. einem Gabelkopf bzw. den Gabelscheiden zusammengebaut.
6. Gabel gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Gabelschaft und/oder der Gabelkopf bzw. der Rohgabelkopf lamellenartig aus metallischen und/oder thermoplastischen Halbzeugen aufgebaut sind. (Fig. 3, 19 und 20)
7. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Gabelkopf und/oder der Gabelschaft und/oder die Gabelscheiden lamellenartig aus Halbzeugen mit beliebigen verschiedenen Querschnitten (z. B. rechteckigen, quadratischen, runden, hohlen etc.) kombiniert aufgebaut sind. (Fig. 4).
8. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der rechte und der linke Teil des Gabelkopfes und/oder des Gabelschaftes jeweils aus einem einzigen Halbzeug, einer Lamelle, bestehen. (Fig. 8)
9. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Gabelkopf und/oder der Gabelschaft so gestaltet sind, daß im inneren Teil des Querschnitts - zur neutralen Faser hin - leichtere Halbzeuge mit niederigem spezifischem Gewicht als Stützkern angeordnet sind und zum Rand des Querschnitts hin Halbzeuge mit größerer Festigkeit und Steifigkeit angeordnet sind.
10. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 7 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß nur im Randbereich Werkstoffe (d. h. Halbzeuge) angeordnet sind und im inneren Bereich nur ein Stützkern (3) aus Schaumstoff oder Waben o. ä. vorhanden ist (Fig. 5a) bzw., daß dieser innere Bereich hohl ist. (Fig. 5b)
11. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 7 und 10 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Gabelkopf als auch der Gabelschaft und die Gabelscheiden mit Halbzeugen aus mehreren verschiedenen Werkstoffen aufgebaut sind.
12. Gabel gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Gabelkopf zusammen mit dem Gabelschaft aus nur einem Querschnitt hergestellt ist, welcher unten in der Mitte gespalten oder eingesägt ist und so die beiden Teile zu Scheidenstummeln geformt sind (z. B. durch Schmieden). (Fig. 8b)
13. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß diese oder Teile derselben aus Halbzeugen aus Faserverbundwerkstoffen mit Thermoplastmatrix oder/und Duroplastmatrix hergestellt sind.
14. Gabel gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Gabelkopf und/oder der Gabelschaft aus einem Block(4a) oder einer Platte(4b) oder mehreren aufeinander geschichteten Platten(4c) aus Faserverbundwerkstoff oder einem anderen Werkstoff, welcher sowohl aus Kurzfasern als auch Langfasern bestehen kann, spanabhebend und/oder einem Schneidverfahren hergestellt ist. (Fig. 9 bis 11)
15. Gabel gemäß Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß der Block(4a) oder die Platte(4b) oder die aufeinander geschichteten Platten(4c) aus einem Werkstoff mit zwei oder mehreren Faserorientierungen(5) hergestellt sind dergestalt, daß die Faserorientierungen(5) später mit der Gabelschaftachse (9) einen Winkel(6) einnehmen, der ungefähr dem Winkel(7) entspricht, den der obere zum Gabelschaftrohr zugewandte Teil der Gabelscheiden mit der Gabelschaftachse(9) einnimmt, bzw. daß bei mehreren Faserorientierungen an jeder Stelle im Bereich des Übergangs von den Gabelscheiden zum Gabelschaft eine Faserorientierung ungefähr parallel zur örtlichen Mittellinie(M) verläuft (Fig. 9 und 10), wobei bei mehreren aufeinander geschichteten Platten(4c) die einzelnen Platten(4c) u. U. unterschiedliche Faserorientierungen aufweisen. (Fig. 9 und 10)
16. Gabel gemäß Anspruch 14 und 15 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den symmetrisch zur Gabelschaftachse paarweise in einem bestimmten Winkel angeordneten Faserorientierungen eine Faserorientierung (8) vorhanden ist, die parallel zur Gabelschaftachse (9) verläuft. (Fig. 9 und 10)
17. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, daß der linke und der rechte Gabelholm-(Gabelscheiden-)ansatz (15) durch ein oder mehrere Querstifte (16) mit einander verbunden sind. (Fig. 23)
18. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß der linke und der rechte Gabelholmansatz (15) mit einer hinteren und/oder vorderen Platte (17) mit einander verbunden sind. (Fig. 24)
19. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, daß von der Gabelschaftseite her eine trichterförmige Hülse oder Klammer (18) über die beiden Gabelholmansätze (15) geschoben ist. (Fig. 25a, 25b)
20. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, daß der rechte und der linke Gabelholmansatz (15) mit einer Querbrücke (19) mit einander verbunden sind, wobei diese z. B. U-förmig oder ähnlich gestaltet ist. (Fig. 26)
21. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den beiden Gabelholmansätzen (15) durch einen Klotz (20) ausgefüllt ist und dadurch ein feste Verbindung hergestellt ist. (Fig. 27)
22. Gabel gemäß Anspruch 21 bis 24 dadurch gekennzeichnet, daß die Platten oder die Klemmer oder die Hülse und/oder die Querbrücke und/oder der Klotz als Gabelkopf bestehen.
23. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 22 dadurch gekennzeichnet, daß alle Kombinationsmöglichkeiten aus den Ansprüchen 17 bis 21 durchgeführt sind.
24. Gabel gemäß Anspruch 17 bis 23 dadurch gekennzeichnet, daß die Platten oder die Hülse oder die Klemmer und/oder die Querbrücke und/oder der Klotz und/oder die Querstifte mit dem Gabelkopf bzw. den Gabelholmansätzen verklebt, verschweißt und/oder verschraubt und/oder verstiftet sind.
25. Gabel gemäß Anspruch 17 bis 24, daß die Platten oder die Hülse oder die Klammer und/oder die Querbrücke und/oder der Klotz und/oder die Querstifte das Loch zur Bremsbefestigung aufweisen.
26. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 26 dadurch gekennzeichnet, daß an den drei Enden des Gabelkopfes der Gabelschaft bzw. die Gabelscheiden angebracht werden und aus jedwedem Werkstoff bestehen können.
27. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 7 und 9 bis 13 und 17 bis 26 dadurch gekennzeichnet, daß diese oder Teile derselben einen geschlossen Hohlquerschnitt aufweisen und aus mit Lang- und/oder Kurzfasern verstärkten Thermoplasten bestehen.
28. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 27 dadurch gekennzeichnet, daß die Gabelscheiden einen U-, V-, Z- förmigen o. ä. Querschnitt aufweisen und aus einem flächigen Halbzeug(z. B. einem Blech) in Lamellenbauweise hergestellt sind. (Fig. 13, 14)
29. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 28 dadurch gekennzeichnet, daß die Gabelscheiden lamellenartig gefertigt sind, und daß insbesondere an deren unteren Ende(10) die Lamellen(11) verschiebbar zu einander sind, um eine Blattfederwirkung zu erreichen. (Fig. 12)
30. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 29 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausfallenden sich aus Lamellen zusammensetzen und an die unteren Enden der Gabelscheiden gefügt (angepreßt, angeschweißt, angelötet etc.) sind. (Fig. 13, Ansicht A)
31. Gabel gemäß Anspruch 30 dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfallenden aus Lamellen bestehen und in den unteren Teil der Gabelscheiden eingefügt sind (Fig. 15)
32. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 31 dadurch gekennzeichnet, daß beide Gabelscheiden zusammen ein U-förmiges Teil bilden und integral in Lamellenbauweise gefertigt und in ihrer Symmetrieebene mit dem Gabelkopf bzw. dem Gabelschaftrohr bzw. einem anderen Teil des Rades z. B. dem Rahmen in Form einer Hinterradschwinge verbunden sind. (Fig. 16)
33. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 13 und 27 bis 31 dadurch gekennzeichnet, daß der Gabelschaft, der Gabelkopf und die Gabelscheiden aus einem einstückigen Teil aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff bestehen.
34. Gabel gemäß Anspruch 32 und 33 dadurch gekennzeichnet, daß diese außerhalb des Rahmens geführt wird.
35. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 31 und 34 dadurch gekennzeichnet, daß ein nach unten verlängertes Gabelschaftrohr zu einem rechteckigen Querschnitt umgeformt ist (z. B. geschmiedet, thermoplastisch umgeformt) und mit den Gabelscheiden aus Faserverbundwerkstoff seitlich verbunden ist. (Fig. 17)
36. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Gabelscheiden über lamellenartigen Gabelkopf mit dem Gabelschaft verbunden sind. (Fig. 18)
37. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 36 dadurch gekennzeichnet, daß auf den Gurten der Gabelholme (Gabelscheiden) Lamellen(12) angebracht (geklebt, gelötet, geschweißt etc.) sind. (Fig. 13)
38. Gabel gemäß Anspruch 1 bis 37 dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Gurten der Gabelscheiden (Gabelholme) angebrachten Lamellen relativ zu den Gabelscheiden verschieblich sind.
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