LEAF SPRING ELEMENT AND METHOD OF MAKING THE SAME

Abstract: The spring, or leaf spring element, has at least two layers of fibre-reinforced, rigid-flexible plastic (4, 5) arranged indirectly or directly above each other, seen in the direction of loading, the fibres extending at least in part essentially over the and in the longitudinal extent of the spring and the layers being bonded to each other indirectly or directly over their surface areas, for example by means of an adhesive layer (6). With the spring unloaded, at least two indirectly or directly bonded-together layers, that is plastic and fibres (4, 5), are braced against each other, the layer closer to the tension side of the spring under operational loading being subjected to compressive prestress on its tension side during operational loading, and the layer closer to the compression side of the spring during operational loading being subjected to tensile prestress on its compression side during operational loading. <IMAGE>

Description: Federblatt und Verfahren zur Herstellung desselben Blattfedern unterliegen während ihrer Biegebeanspruchung daraus resultierenden Druck- als auch Zugspannungen. Je nach Einsatz der Fecern wechseln in kurzer oder längerer Zeit die auf die Feder einwirkenden Kräfte, womit die Biegebeanspruchungen sich in der Feder ändern. Bei Blattfedern zur Verbindung z.B. einer Achse mit einem Kraftfahrzeug, ändern sich die Belastungen und damit die Zug- und Druckspannungen innerhalb der Federblätter In sehr kurzen Zeitspannen. Für Blattfedern sind eine hohe Anzahl von Materialien bekannt, wobei diese Materialien, sei es Holz, Kunststoff, taseeverstärkter kunststoff, Stahl und dgl., eine isotropen Eigenschaften aufweisen, sondern anisotrope Eigenschaften besitzen, welche auch zur günstigeren Materialausnützung herangezogen werden können. Je anisotroper ein Körper ist, desto mehr muss bei der Konstruktion einer Blattfeder auf seine Beschaffenheit Rücksicht genommen werden. Bei Blattfedern, die mit faserverstärktem Kunststoff, z.B. mit Glas-, Kohlenstoff-, Aramidfasern aufgebaut sind, wobei die se Fasern unidirektional d.h. im wesentlichen in Blattfederlängsrichtung und im wesentlichen über die gesamte Länge des Federblattes sich erstreckend angeordnet sind, mua den unterschiedlichen Materialeigenschaften und zwar des Kunststoffes, welcher die Fasern verbindet, und der Faser selbst besonders hohes Augenmerk geschenkt werden. Der Kunststoff weist in der Regel eine relativ geringe Zu#f'eStigkeit, jedoch eine höhere Druckfestiqkeit auf, noningegen die FaSern sowonl eine reutl sh höhere Zug- als auch Druckfestigkeit aufweisen können. Dementsorechend muss bei dem Aufbau einer Blattfeder, insbesondere Parabelfeder, auf dieses Eigentumspektrum besonders Rücksicht genommen werden. So ist es bereits bekannt geworden, bei einem faserverstärkten Bauelement die Fasern als solche während des Erhärtens des Kunststoffes unter Zugspannung zu halten, sodass auf dem Kunststoff, und zwar in Faserlängsrichtung von den einzelnen Fasern eine Druckspannung auf das Kunstharz ausgeübt wird. Aus der WO 84/01413 wird ein Verfahren zur Herstellung von Blattfedern bekannt, wobei einzelne Schichten aus glasfaserverstärktem Kunststoff, in welchem die Fasern unidirektional angeordnet sind, miteinander verklebt werden. Bei diesen Schichten ist der Kunststoff in der Regel nicht ausgehärtet, obwohl dieses Verfahren auch mit ausgehärtetem Kunststoff durchgeführt werden könnte. Bei den einzelnen Lagen wird von den Fasern auf den Kunststoff eine Vorspannung ausgeübt werden, wie sie durch das Wickeln der Glasfasern auftreten kann. Durch eine derartige Vorspannung der einzelnen Fasern wird erreicht, dass der Kunststoff gleichmässig über den gesamten Querschnitt jeweils im Nahbereich der Fasern einer Druckspannung ausgesetzt wird, wodurch eine höhere Lebensdauer erreichbar ist, da den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas und dem Kunststoff und damit den nach dem Abkühlen der Feder herrschenden Zugbeanspruchungen des Kunststoffes Rechnung getragen X-d. Der Einsatzbereich von Blattfedern, insbesondere Kunststoffedern, welche mit faserverstärktem Kunststoff aufgebaut sind, wird insbesondere durch ökonomische Gründe eingeschränkt. ?hwohl in vielen Fallen das t#cbnis#ne rIsen- schaftsniveau der Blattfeder mit faserverstärktem Kunststoff ein höheres ist, als jenes nes bisher verwendeten Werkstoffes, wie beispielsweise Stahl. Besteht nun die Möglichkeit, die Beanspruchbarkeit eines Biegeträgers pro Volumenseinheit zu erhöhen, so kann ein grösserer Bereich des ökonomischen Einsatzes gewährleistet werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Feder, insbesondere ein Federblatt zu schaffen, die/das bei gleichen bzw. besseren mechanischen Eigenschaften als eine herkömmliche Feder mit faserverstärktem Kunststoff ein geringeres Gewicht und/oder Volumen aufweist, und nicht nur aufgrund der Dimensionierung an die spätere Beanspruchung angepasst ist. Die Aufgabe des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung von Federn, insbesondere eines Federblattes zu schaffen, wobei auf besonders einfache Art und Weise Federn auf ihre nftige Beanspruchung konzipiert werden können. Die erfindungsgemässe Feder, beziehungsweise Federblatt, z.B. Parabelfeder, mit zumindest zwei in Belastungsrichtung gesehen, mittel- bzw. unmittelbar im wesentlichen übereinander angeordneten Schichten mit faserverstärktem, hartelastischem Kunststoff, wobei die Fasern sich zumindest teilweise im wesentlichen über die und in Längserstreckung der Feder erstrecken und die Schichten flächig, insbesondere vollflächig mittel- bzw. unmittelbar, z.B. über eine Klebstoffschicht miteinander verbunden sind, besteht im wesentlichen darin, dass bei unbelasteter Feder zumindest zwei mittel- bzw. unmittelbar miteinander verbundeneSchichten und zwar Kunststoff una Fasern gegeneinander verspannt sind, wobei die der Zugseite der Feder bei Betriebsbelastung nähere Schichte auf ihrer Zugseite Sei 9e.ieb-belastung auf Druck, und die der Druckseite der Feder bei Betriebsbelastung nähere Schichte auf ihrer Druckseite bei 9etrlebs- belastung auf Zug vorgesoannt sind. Durch dieses gegenseitige ¯lerspannen der Schi¯--en tritt nicht nur eine Verspannung gegenüber dem Kunststoff der Feder auf, sondern die Verspannung tritt gegenüber den einzelnen Schichten auf, also somit auch gegenüber den Fasern und weiters kann die Feder dadurch in Gesamtheit höhere Belastungen aufnehmen, da während der Belastung der Feder die eingebrachten Eigenspannungen wirksam werden. Unter Zugseite der Feder soll jene Oberfläche verstanden werden, welche der höchsten Zugbeanspruchung und unter Druckseite der Feder soll jene Oberfläche verstanden sein, welche der höchsten Druckbeanspruchung der Feder bei Betriebsbelastung unterliegen. Ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemässen Feder ergibt sich dann, wenn zwei Schichten vorgesehen sind, die vorzugsweise im wesentlichen gleichen Querschnitt entlang der Federlängsrichtung aufweisen, die idente Entfernungen von der neutralen Ebene aufweisen. Eine derartige Feder, z.B. Parabel- oder Rechteckfeder, weist weiterhin den Vorteil auf, dass nur eine geringere Lagerhalterung der Schichten erforderlich ist, wobei gleichzeitig bei der Fertigung Fertigungsfehler nur schwerer unterlaufen können. Eine sehr einfache Verspannung kann durch Formschluss der Schichten, insbesondere bei den Federaugen, erreicht werden. Ist eine Klebeschichte im wesentlichen in der neutralen Ebene vorgesehen, so unterliegt diese Klebschichte nur geringeren Beanspruchungen, da sie im wesentlichen eine Längenänderungen ertragen muss und lediglich für die Kraftübermittlung also der Kräfte für die Vorspannung zwischen den Schichten Sorge tragen muss. Ist zwischen den Scnichten zumindest ein Kern, insbeson dere in Form eines Doppelkelles, welcher im wesentlichen an seinen beiden Enden in Federlängsrichtung auf Null ausläuft, z.B. Kern für eine Parabelfeder vorgesehen, so kann eine Feder beliebiger Ausgestaltung erreicht werden, wobei gleichzeitig der Anteil von faserverstärktem Kunststoff nicht erhöht werden muss und weiters eine Vorspannung der Schichten gegeneinander durch den Kern weiterhin ermöglicht ist. Eine besondere vorteilhafte Verspannung ergibt sich auch dann, wenn die Schichten im wesentlichen über die gesamte Breite der Feder erstreckt sind. Weist die Feder an ihrer Zugseite eine Schichte mit im wesentlichen sich in Federlängsrichtung erstreckenden Fasern auf, die eine höhere maximale ertragbare Dehnung aufweisen, als die weiteren Schichten, so kann eine derartige Feder besonders hohen schwellenden Beanspruchungen unterworfen werden, bevor ein Desintegrieren eines Federblattes auftritt. Ist die Feder zumindest teilweise mit einem mit Kunststoff imprägnierten Vlies, insbesondere ein in Federlängsrichtung orientiertes Vlies versehen, so ist der Biegeträger auch gegen mechanische Beanspruchung z.3. Schlag, Steinschlag, unbeabsichtigte Stösse und dgl., besonders gut geschützt. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung einer Feder, beziehungsweise eines Federblattes, wobei zumindest zwei Schichten mit im wesentlichen zumindest teilweise in und über Federlängserstreckung erstreckenden Fasern und Kunststoff, welche miteinander mittel- und/oder unmittelbar verbunden werden, insbesondere durch zumindest eine Klebeschichte verbunden werden, besteht im wesentlichen darin, dass zumindest eine Schichte mit hartelastischem Kunststoff während ps Verwindens mit einer weiteren Schicnte mit hartelastischem Kunststoff mit zumindest einer Kraft unter 3e- formation, insbesondere Durchbiegung und/oder Dehnung in Federlängsrichtung und/oder Stauchung in rederlängs- richtung bis zum dauerhaften Verbinden dieser Schichten vorgespannt und beaufschlagt wird/werden. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren können beispielsweise eben ausgebildete Schichten, welche an sich am einfachsten zu fertigen sind, z.B. in einer Form oder auch nur mit zwei Auflagern, aie an den jeweiligen Enden der Schichten angeordnet sind, in eine erwünschte Form gebracht z.B. gebogen werden, wobei gleichzeitig die gegenseitige Verspannung der Schichten erreichbar ist. Werden alle Schichten einer Feder, insbesondere einer mit zwei Schichten aufgebauten Feder mit einer Kraft unter Vorspannung gebracht, und die Schichten dann bis zum dauerhaften Verbinden zumindest mit dieser be aufachlagt, so ist eine tsonders günstige Verspannung erreicht, da eine Verspannung der Schichten gegeneinander unter optimalem Kraftausgleich erreichbar ist. Werden die Schichten mit zwei Kräften, und zwar eine Schichte unter Dehnung und eine weitere unter Stauchung, jeweils in Federlängsrichtung bis zum dauerhaften Verbinden be aufschlagt, so können mit einer einzigen Vorrichtung unterschiedliche und genau einzuhaltende Vorspannungen eingebracht werden. wird die Klebstoffschicht auf zumindest einer der zu verbindenden Flächen der Schichten aufgetragen, worauf die Schichten in eine Presse eingelegt werden und die Presse unter Verspannung und zumindest teilweiser Deformation z.B. Durchbiegung zumindest einer Schicht geschlossen wira worauf der Klebstoff od. dgl. insbesondere durch ärmebeaufschlagung, z.B. Mikrowellen erhärtet wird, so kann eine besonders exakt dimensionierte Feder erhalten werden. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 zwei heizbare Fressen in schematischer Darstellung und die Fig. 3 bis 5 verschiedene Ausführungsformen von Federn. In die in Fig. 1 dargestellte Presse 1 mit einem Oberteil 2 und Unterteil 3 werden zwei Schichten 4, 5, die in Längsrichtung orientierte durchgehende Glasfasern, die in einem duroplastischen Kunststoff, und zwar Epoxidharz, eingebettet sind, eingelegt. Das Harz ist vollkommen ausgehärtet. Die Schichten werden vor Einlage in die Presse auf einer Fläche mit einem Klebstoff und zwar einem Epoxidharzkleber entsprechend dem duroplastischen Kunststoff der Schichten versehen. Sodann werden die Schichten gegeneinander gelegt, wobei darauf geachtet wird, dass keine Lufteinschlüsse in der Klebstoffschichte 6 vorhanden sind. Sodann wird die Presse zugefahren, wodurch die zuerst gerade ausgebildeten Schichten deformiert und zwar gebogen werden, worauf der Kunststoff der Klebstoffschichte beispielsweise durch Hitzeeinwirkung der Presse oder auch durch Hochfrequenzeinwirkung ausgehärtet wird. Nachdem die Klebstoffschichte ausgehärtet ist, wird die nunmehr fertige Feder der Presse entnommen, wobei sich die beiden Schichten gegeneinander verspannen. Die Arbeitsrichtung der Feder ist entgegengesetzt der Schliessbewegungsrichtung gemäss Pfeil a gerichtet, sodass die bei Betriebsbelastung der Feder auf ihrer Zugseite auf Druck und auf ihrer Druckseite auf Zug und zwar in den jeweils der Druckfläche der Feder benachbarten Schichten vorgesoannt sind. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit eine Schichte 7u stauchen und eine weitere zu oesen, wodurch ebenfalls Zug- bzw. Druck vorsoannung erreicht werden kann. Soll eine Parabelfeder erhalten werden, so kann eine Presse gemäss Fig. 2 verwendet werden, die einen Oberteil 7 und einen Unterteil 8 mit parabelförmiger Arbeitsfläche aufweist. In der Presse sind zwei Schichten 9, 10 angeordnet, welche in Federlängsrichtung orientierte Glasfasern aufweisen, welche in einem ausgehärteten Kunststoff eingebettet sind. Die Schichte 11, welche in der Mitte angeordnet ist, ist ein Klebstofffilm. Die Schichten 9 und 10 sind in undeformiertem Zustand gerade ausgebildet und weisen in Federlängsrichtung von der Mitte zum Federende einen abnehmenden Querschnitt auf und liegen mit ihren jeweiligen Enden am Unterteil 8 der Presse an. Wird die Presse nun zugefahren, so unterliegt sowohl die Schicht 9 als auch die Schicht 10 einer Vorspannung durch eine Durchbiegung. Die Presse bleibt so lange geschlossen, bis der Klebstoff vollkommen ausgehärtet ist. Damit wird eine Parabelfeder erhalten, die vorgespannt ist. Die in Fig. 3 dargestellte Feder ist eine Parabelfeder, die aus zwei Schichten 14, 15 aufgebaut ist, wobei im Mittelbereich der Parabelfeder ein Doppelkeil 16 vorgesehen ist, der an seinen beiden Enden 17 und 18 auf Null ausläuft. Wie erkennbar, weisen die Schichten 14 und 15 identen Querschnitt auf, wobei sich die Klebeschichte jeweils und zwar im Bereich des Doppelkeiles im gleichen Abstand der neutralen Ebene der Parabelfeder zu liegen kommt, bzw. ausserhalb des Bereiches die Klebeschichte als solche in der neutralen Ebene angeordnet ist. Die Pa- rabelfeder weist an ihren beiden Enden idente Augen 12, 3 auf. Bei der Herstellung einer derartigen Feder wird so vorgegangen, dass jeweils zwei gerade planosrallele Schich en mit über die gesamte Länge der Feder sich erstreckenden nd in Federlängsrichtung orientierten Glasfasern an ihrer Innenseite mit Klebstoff versehen werden, worauf ein Keil mittig positioniert wird, wonach die Presse, z.B. gemäss Fig. 1 zugefahren wird, sodass der Kunststoff der Klebc3chichte ausgehärtet und die Feder, welche nunmehr vorgespannt ist, entnommen werden kann. Dadurch dass ein Doppelkeil vorgesehen wird, kann eine Feder gefertigt werden, die beispielsweise eine Parabelfeder ist, wodurch auf besonders einfache Art und Weise eine an sich schwierig herzustellende Feder mit planparallelen Schichten erhalten werden kann. Die in Fig. 4 dargestellte Feder im Schnitt weist drei Schichten 19, 20 und 21, die identen Querschnitt besitzen, auf, wobei auf der Zugseite eine weitere Schichte 22 ebenfalls mit in Faserlängsrichtung und über die Federlänge sich erstreckenden Fasern aufweist. Die Schichte 22 weist eine zirka um 10 % grössere ertragbare Dehnung auf, als die darunterliegenden Schichten. Über diese- Schichte ist noch ein längsorientiertes Faservlies 23 angeordnet, das ebenfalls kunststoffimprägniert ist, und über die Kanten der Feder gelegt ist. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, kann auch eine Parabelfeder so erhalten werden, dass sowohl auf der Zugseite als auch auf der Druckseite der Feder Schichten 24, 25, die sich nicht über die gesamte Federlängsrichtung erstrecken, aner ebenfalls unidirektional angeordnete Fasern aufweisen, vorgesehen werden. Diese Schichten 24, 25 werden eoenfalls mit Klebstoff mit der Schicht 27 verbunden, die an ihren beiden Enden Jeweils die Federaugen aufweist. Auch eine derartige Feder kann beisoielsweise mit einer Presse gemäss Fig. 2 erhalten werden. wnbei es von Vorteil sein sann, die beiden Schichten unterschiedlich vorzusoanvn. Die Schichten, die erfindungsgemäss Verwendung finden, können beispielsweise planparallel ausgebildet und bereits vollständig ausgehärtet sein. Gegebenenfalls kann aucn eine noch nicht vollkommen ausgehärtete,jedcch bereits hartelastische Schicht verwendet werden, allerdings nur dann, wenn die Schichte so weit ausgehärtet ist, dass eine bleibende Verspannung erhalten wird. Weiters besteht die Möglichkeit, dass beispielsweise die Schichten gemäss den vorhergehenden Figuren mechanisch gefertigt werden und unter Verspannen miteinander verklebt werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn vor dem Aufbringen einer Klebstoffschichte auf die zu verbindenden Flächen der Schichten dieselben jeweils durcn Entfernen eines Abreissgewebes, welches auf den zu verbindenden Flächen aufgebracht ist, vorbereitet werden. Ein solches Abreissgcwebe ist ein sehr feines und festes Gewebe mit thermoplastischen Fasern, das für diese Variante des Verfahrens bereits bei der Herstellung der beiden Schichten auf die zu verklebenden Flächen aufgebracht wird. Dabei wird es mit flüssigem Kunststoff durchtränkt und ist nach Härten mit der jeweiligen Schicht fest verbunden. Wird das Gewebe durch einfaches Abreissen entfernt, entsteht eine sehr saubere und fein strukturierte Oberfläche. Diese Vorbereitung der zu verklebenden Flächen bringt eine optimale Festigkeit der Verklebung der vorgespannten Federblattschichten, insbesondere gegenüber den beim Durchbiegen des Federblattes auftretenden Belastungen.

Claims: 1. A spring leaf, e.g. a parabolic spring, with at least two layers arranged one on top of the other, viewed in the direction of load, with fibre reinforced, resiliently hard, hardened synthetic material, the fibres substantially extending at least partially over and in the longitudinal direction of the spring, and the layers being connected over the surface area, particularly over the whole surface area, e.g. via an adhesive layer, to each other or to a core part as stressed outer layers, characterised in that when the spring is unloaded, at least two interconnected layers, i.e. synthetic material and fibres (4, 5, 24, 25, 19, 20), are mutually stressed and have shearing stresses in the region of the connecting surface or the neutral plane, the layer closer to the tension side of the spring during operational load being precompressed on its tension side during operational load, and the layer closer to the compression side of the spring during operational load being pretensioned on its compression side during operational load. 2. A spring according to claim 1, characterised in that the layers are interconnected by means of positive locking, e.g. at the spring eyes. 3. A spring according to claim 1 or 2, characterised in that two layers (4, 5, 15) are provided which preferably substantially have the same cross-section along the longitudinal direction of the spring and which are at equal distances from the neutral plane. 4. A spring according to claim 1, 2 or 3, characterised in that an adhesive layer (6) is provided substantially in the neutral plane of the spring. 5. A spring according to any one of claims 1 to 4, characterised in that at least one core (16), particularly in the form of a double wedge which substantially tapers off to nothing at both its ends (17, 18) in the longitudinal direction of the spring, e.g. a core for a parabolic spring, is provided between the layers (14, 15). 6. A spring according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the layers substantially extend over the whole width of the spring. 7. A spring according to any one of claims 1 to 6, characterised in that the spring has on its tension side a layer (22) with fibres substantially orientated in the longitudinal direction of the spring, which layer has a higher tolerable maximum torsion than the further layers. 8. A spring according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the spring is provided at least partially with a fleece (23) impregnated with synthetic material, particularly a fleece orientated in the longitudinal direction of the spring. 9. A method of manufacturing a leaf spring, particularly according to any one of claims 1 to 8, wherein two layers with synthetic material and fibres which substantially extend at least partially in and over the longitudinal direction of the spring, which layers are connected to each other or to a core part as outer layers for constructing a prestressed spring, are connected particularly by means of at least one adhesive layer, characterised in that those layers having longitudinal axes and with resiliently hard or hardened synthetic material are prestressed and acted upon during connection by at least one force during deformation, particularly flexion and/or torsion in the longitudinal direction of the spring and/or compression in the longitudinal direction of the spring until these layers are permanently connected. 10. A method according to claim 9, characterised in that the layers are acted upon by two forces, i.e. one layer under torsion and a further layer under compression, each in the longitudinal direction of the spring, until there is permanent connection at least between the latter. 11. A method according to either one of claims 9 or 10, characterised in that an adhesive layer is applied to at least one of the layer surfaces to be connected, whereupon the layers are laid in a press and the press is closed during prestressing and at least partial deformation, e.g. flexion, of at least one layer, whereupon the adhesive layer or the like is hardened, particularly by heat action, e.g. microwaves. 12. A method according to any one of claims 9 to 11, characterised in that before an adhesive layer is applied to the layer surfaces to be connected, the said layers are each prepared by removing a tear-off fabric which is applied to the surfaces to be connected.

Inventors: GOETTE, TIMO, DIPL.-ING., JAKOBI, REINHARD, DIPL.-ING., KAMPKE, MANFRED, DIPL.-ING., PUCK, ALFRED, PROF. DR.-ING., SCHUERMANN, HELMUT, DIPL.-ING., Götte, Timo, Dipl.-Ing., Schürmann, Helmut, Dipl.-Ing.
Applicants: BOEHLER AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1986
Main classification: B29C67
IPC codes: F16F1, B29C70