Blattfeder aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff und Krafteinleitungselement für d ieselbe

Die Erfindung betrifft eine Blattfeder aus einem Faser-Kunststoff-Ver- bundwerkstoff, bei dem die Fasern ungekürzt von einem axialen Ende der Blattfeder bis zu deren anderen Ende verlaufen und in einem Kunststoff eingebettet sind, sowie ein Krafteinleitungselement für diese Blattfeder.

Eine Blattfeder mit einem solchen Faserverlauf ist beispielsweise aus der DE 10 2004 010 768 A1 bekannt. Wie die Faserverbundblattfeder gemäß der DE 102 21 589 A1 verdeutlicht, weist diese zur Erfüllung ihres Gebrauchszwecks einen mittleren Krafteinleitungsbereich sowie zwei weitere Krafteinleitungsbereiche an ihren axialen Enden auf. Diese Krafteinleitungsbereiche dienen zur Befestigung der Blattfeder mittels gesonderter Befestigungselemente an der Fahrzeugstruktur bzw. an Fahrwerksbauteilen, um so eine Abfederung derselben zu ermöglichen. Während die endseitigen Krafteinleitungsbereiche mittels der Befestigungselemente unbeweglich an den ihnen zugeordneten Bauteilen angelenkt sind, kann bisher nicht ausgeschlossen werden, dass der mittlere Befestigungsbereich bei einer Einfederung eine unerwünschte Axialbewegung vollzieht. Dies kann zu einer Beschädigung des Blattfedergefüges führen, da die gekrümmte Blattfeder in diesem mittleren Krafteinleitungsbereich üblicherweise von metallischen und halbschalig ausgebildeten Befestigungselementen umgriffen und fixiert ist.

Ein Durchbohren der Faserverbundblattfeder und Einsetzen eines Zentriermittels ist insbesondere bei kleineren und schmalen sowie dünnen Blattfedern keine Alternative, da beim Durchbohren der Blattfeder viele ihrer Fasern unvorteilhaft durchtrennt werden. Wenn bei Faserverbundblattfedern dennoch eine solche technische Lösung bevorzugt wird, so geht dies einher mit einer

Verbreiterung der Blattfeder, um die auftretenden Lasten während der vorgesehenen Lebensdauer unbeschadet aufnehmen zu können.

Um eine Beschädigung einer solchen Faserverbundblattfeder im mittleren Befestigungsbereich zu vermeiden, wird in der EP 0 425 880 A1 vorgeschlagen, einen Zwischenschicht zwischen dem metallischen Krafteinleitungselement und dem Federkörper anzuordnen, die aus einem gießfähigen und aushärtenden Kunststoff besteht. Zwar wird der Federkörper durch das Einbringen einer Schutzschicht zwischen derselben und dem metallischen Befestigungselement geschützt, die Herstellung einer solchen Befestigungsanordnung wird jedoch als sehr aufwendig und daher teuer beurteilt. Zudem ist nicht auszuschließen, dass während des Gebrauchs der Blattfeder an einem Fahrzeug die auftretenden Bewegungen die Zwischenschicht derart belasten, dass deren Zerstörung noch vor dem Lebensdauerende der Blattfeder eintritt und damit diese ebenfalls gefährdet bzw. unbrauchbar macht.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Blattfeder aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff vorzustellen, die in ihrem mittleren Befestigungsabschnitt derart ausgebildet ist, dass eine für diese beschädigungsfreie Verbindung mit einem diesbezüglichen Krafteinleitungselement möglich ist. Dabei soll die Blattfeder keine Durchtrennungen von einzelnen Fasern aufweisen, um diese ungekürzt von einem zum anderen axialen Ende derselben verlaufen zu lassen. Zudem soll durch die Ausbildung der Blattfeder erreicht werden, dass diese bei ihrem Gebrauch auch in ihrem mittleren Befestigungsabschnitt keine Axialbewegung vollführt.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch eine Faserverbundblattfeder mit den Merkmalen des Hauptanspruchs erreicht. In einem weiteren unabhängigen Patentanspruch wird ein Krafteinleitungselement vorgestellt, welches mit der erfindungsgemäßen Blattfeder zusammenwirkt. Vorteilhafte Weiterbildungen

und Ausgestaltungen sind den jeweils zugeordneten Unteransprüchen entnehmbar.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine entsprechende Formgebung der Blattfeder bei deren Herstellung Aufnahmebereiche für ein Krafteinleitungselement geschaffen werden können, in die Bestandteile dieses Krafteinleitungselementes form- und kraftschlüssig einsetzbar sind. Dieser Form- und Kraftschluss zwischen Blattfeder und Krafteinleitungselement ermöglicht eine sichere und auf eine vergleichsweise große Fläche verteilte Krafteinleitung in die Blattfeder. Daher ist die mechanische Belastung der Blattfeder in Richtung ihrer Längserstreckung während ihrer Nutzung einerseits gering, andererseits wird eine Axialbewegung der Blattfeder wegen der form- und kraftschlüssigen Verklinkung zwischen den genannten Bauteilen sicher vermieden.

Demnach betrifft die Erfindung zunächst eine Blattfeder aus einem Fa- ser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, bei dem die Fasern ungekürzt von einem axialen Ende der Blattfeder bis zu ihrem anderen Ende verlaufen und in einem Kunststoff eingebettet sind. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist zudem vorgesehen, dass die Blattfeder im Bereich eines mittleren Befestigungsabschnitts senkrecht zu ihrer Längsachse zumindest eine Einengung aufweist, in die ein Bestandteil eines Krafteinleitungselements form- und kraftschlüssig einsetzbar ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Blattfeder ist vorgesehen, dass diese im Bereich des mittleren Befestigungsabschnitts senkrecht zu ihrer Längsachse sowie senkrecht zur zumindest einen Einengung wenigsten eine Aufwölbung aufweist, auf die ein Bestandteil des Krafteinleitungselements form- und kraftschlüssig auflegbar ist. Durch diesen Aufbau ermöglicht die Blattfeder, dass diese an dieser Seite form- und kraftschlüssig von Bestandteilen des Krafteinleitungselements umgriffen werden kann, wobei

über diesen Bestandteil des Krafteinleitungselements eine die Blattfeder weiter fixierende Flächenpressung auf beiden Seiten ausgeübt werden kann.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Blattfeder zwei gegenüberliegende Einengungen und zwei gegenüberliegende Aufwölbungen in ihrem Querschnittprofil aufweist.

Bei einem Einsatz der Blattfeder in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Einengungen in denjenigen Flächen der Blattfeder ausgebildet sind, deren Flächennormale nach dem Einbau der Blattfeder in ein Fahrzeug im Wesentlichen horizontal ausgerichtet sind, und dass die Aufwölbungen in denjenigen Flächen der Blattfeder ausgebildet sind, deren Flächennormale im eingebauten Zustand der Blattfeder im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind.

Um die Herstellung der Blattfeder kostengünstig gestalten zu können, ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass das Faservolumen derjenigen Fasern und das Kunststoffvolumen desjenigen Kunststoffs, die bei der Formgebung der Blattfeder aus dem Bereich der zumindest einen Einengung verdrängt wurden, im Bereich der zumindest einen Aufwölbung angeordnet sind. Durch diese Konstruktion wird erreicht, dass das Faservolumen und das Kunststoffvolumen entlang der Längserstreckung der Blattfeder jedenfalls nicht in demjenigen Bereich an die veränderte Blattfedergeometrie angepasst werden muss, an dem das mittlere Krafteinleitungselement befestigt wird. Bevorzugt wird sogar, bis auf die Endabschnitte, über annähernd die gesamte Länge der Blattfeder deren Faserverbundwerkstoffvolumen pro Längeneinheit konstant gehalten.

Hinsichtlich der Tiefe der zumindest einen Einengung in der Blattfeder wird ein Wert von 5% bis 15% der Breite der Blattfeder als ausreichend erach-

tet, um den gewünschten Formschluss zwischen der Blattfeder und dem mittleren Krafteinleitungselement zu gewährleisten.

Die Höhe der zumindest einen Aufwölbung ergibt sich bevorzugt durch das im Bereich der Einengungen verdrängte Materialvolumen des Federkörpers sowie der axialen Länge der Aufwölbung. Als vorteilhaft hat sich bei einer bestimmten Bauweise ein Wert für die Höhe der Aufwölbung von 10% bis 20% der Gesamthöhe der Blattfeder im Bereich dieser Aufwölbung herausgestellt. Sofern zwei gegenüberliegende Aufwölbungen an der Blattfeder ausgebildet sind, wird die Höhe einer jeden Aufwölbung zwischen 5% und 10% der Gesamthöhe der Blattfeder im Bereich dieser Aufwölbungen betragen. Die axiale Länge der Einengungen und der Aufwölbungen ist bevorzugt annähernd identisch.

Hinsichtlich der Werkstoffe der erfindungsgemäßen Blattfeder werden unidirektional ausgerichtete Kunstfasern oder Kunstfasergewebe bevorzugt, wobei die Fasern beispielsweise als Glasfasern oder Karbonfasern ausgebildet sind, während als Kunststoff eine Epoxydharzmatrix oder eine Thermoplastmatrix bevorzugt wird.

Wie bereits erwähnt wurde, ist die Blattfeder gemäß der Erfindung besonders für den Einbau in ein Kraftfahrzeug geeignet und weist neben dem mittleren Krafteinleitungsabschnitt an ihren axialen Enden jeweils einen weiteren Krafteinleitungsabschnitt auf.

Die Erfindung betrifft auch ein Krafteinleitungselement für eine Faserverbundblattfeder, die zumindest gemäß einigen der geschilderten erfindungsbe- zogenen Merkmale ausgebildet ist. So ist vorgesehen, dass das Krafteinleitungselement mehrteilig ausgebildet ist, wobei zumindest ein erstes Befestigungselement zum form- und kraftschlüssigen Eingriff in die zumindest eine Aussparung der Blattfeder ausgebildet ist, während zumindest ein zweites

Befestigungselement zur Auflage auf der zumindest einen Aufwölbung der Blattfeder ausgebildet ist.

Um die Blattfeder sicher aufnehmen zu können, ist zudem vorgesehen, dass die Befestigungselemente des Krafteinleitungselements miteinander verbindbar ausgebildet sind. Die Verbindung der einzelnen Befestigungselemente erfolgt bevorzugt mittels Schrauben.

In einer weiteren Ausgestaltung des Krafteinleitungselements ist vorgesehen, dass die ersten Befestigungselemente als Winkelstücke ausgebildet sind, mit zumindest einem in die Aussparung der Blattfeder eingreifenden Schenkel, und mit zumindest einem die Blattfeder über ihre Breite wenigstens teilweise untergreifenden Schenkel.

Ein weiteres Merkmal des Krafteinleitungselements ist, dass die ersten Befestigungselemente als im Querschnitt L-förmige Winkelstücke oder als im Querschnitt U-förmige Winkelstücke ausgebildet sind. Demgegenüber sind die genannten zweiten Befestigungselemente im Querschnitt plattenförmig oder als U-förmige Winkelstücke ausgebildet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser sind mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt, auf die nachfolgend eingegangen wird. Im Einzelnen zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Blattfeder mit einem angedeuteten Faserverlauf, in deren seitlichen Einengungen Befestigungselemente eines Krafteinleitungselements eingefügt werden,

Fig. 2 eine Seitenansicht A der Blattfeder gemäß Fig. 1 , in der eine Aufwölbung derselben erkennbar ist,

Fig. 3 eine weitere Seitenansicht einer Blattfeder mit zwei Aufwölbungen und einem Krafteinleitungselement mit zwei im Querschnitt U-förmigen Befestigungselementen,

Fig. 4 einen Querschnitt BB durch die Blattfederanordnung gemäß Fig. 2, jedoch im verschraubten Zustand, und

Fig. 5 einen Querschnitt CC durch die Blattfederanordnung gemäß Fig. 3.

Die Blattfeder 1 ist in Fig. 1 derart dargestellt, dass auf diejenige Seite geschaut wird, die bei einem Einbau in ein Fahrzeug nach unten oder nach oben weist, weshalb deren Flächennormale im Wesentlichen vertikal im Fahrzeug ausgerichtet ist. Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Blattfeder V, 1" von derjenigen langen Seite, deren Flächennormale nach einem Einbau der Blattfeder in ein Fahrzeug im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.

Demnach zeigt Fig. 1 schematisch eine Faserverbundblattfeder 1 , deren Fasern 2 über die gesamte axiale Länge derselben ungekürzt bzw. nicht unterbrochen verlaufen. Dies garantiert eine sehr hohe Belastbarkeit der Blattfeder bei vergleichsweise geringen Abmessungen. Bei der Herstellung der Blattfeder 1 wurde diese, vorzugsweise durch horizontales Ablegen von einzelnen Prepreg-Lagen in einer Form so geformt, dass in einem mittleren Befestigungsabschnitt 20 derselben zwei Einengungen 15, 16 im Querschnittsprofil ausgebildet sind, deren Formgebung die Fasern 2 unverletzt folgen. Die beiden Einengungen 15 und 16 schnüren die Blattfeder 1 in einer Richtung senkrecht zur Längsachse 19 derselben ein, wobei die axialen Enden der Einengungen 15, 16 unter einem solchen Winkel axial auslaufen, der von einem rechten Winkel abweicht. Die Tiefe t der Einengungen 15, 16 beträgt jeweils etwa 5% bis 15% der Blattfederbreite b.

Während in die erste Einengung 15 bereits ein als Winkelstück ausgebildetes Befestigungselement 5 eines Krafteinleitungselements 21 eingesetzt ist,

erfolgt in der dargestellten Situation der Fig. 1 gerade das Einschwenken eines zweiten als Winkelstück ausgebildeten Befestigungselementes 6. Diese Winkelstücke 5, 6 weisen an einem Schenkel eine solche Geometrie auf, dass diese formschlüssig in die jeweils zugeordnete Einengung 15 bzw. 16 eingefügt werden können. Mit einem zweiten Schenkel 7 untergreifen die Winkelstücke 5, 6 die Blattfeder 1 , 1" über deren Breite b ganz oder nur teilweise.

Der bei der Nutzung von kostengünstig herstellbaren rechteckigen Prepreg-Lagen durch die Formgebung der Blattfeder 1 , 1', 1" im Bereich der Einengungen 15, 16 entstandene Materialüberschuss dient bei der Herstellung derselben, wie die Seitenansicht A der Blattfeder 1' in Fig. 2 zeigt, zur Ausbildung von zumindest einer Aufwölbung 3, deren Höhe h etwa 10% bis 20% der Gesamthöhe H der Blattfeder 1 , 1' ausmacht. Die Aufwölbung 3 erhebt sich an der Blattfeder 1 , 1', 1" in einer Richtung, die senkrecht zu deren Längsachse 19 und senkrecht zu den Einengungen 15, 16 ausgerichtet ist.

Wie Fig. 2 verdeutlicht, sind die beiden als Winkelstücke ausgebildeten Befestigungselemente 5, 6 mit einem weiteren Befestigungselement 10 des Krafteinleitungselements 21 fest verbindbar, welches auf der Oberseite der Aufwölbung 3 angeordnet ist. In die Befestigungselementen 5, 6 und 10 eingebrachte Bohrungen 8, 9, 11 , 12 mit Schraubgewinde ermöglichen das Einschrauben und Festziehen von Befestigungsschrauben 17 und 18, so dass die Befestigungselemente 5, 6, 10 unverlierbar miteinander verbunden sind und das Krafteinleitungselement 21 nach dessen Verbindung mit einem ortsfesten Fahrzeugbauteil die Blattfeder 1 , 1' axial unbeweglich einspannt.

Die in Fig. 3 dargestellte Blattfeder 1" weist weitgehend den gleichen Aufbau und die gleiche Geometrie auf wie die Blattfedern 1 , 1' gemäß den Figuren 1 und 2. Sie hat jedoch zwei Aufwölbungen 3 und 4, deren Gesamtvolumen demjenigen Volumen entspricht, welches durch die Ausbildung der beiden Einengungen 15 und 16 an diesen Stellen im Federkörper verdrängt wor-

den ist. Die Einspannung dieser Blattfeder 1" in ihrem mittleren Befestigungsabschnitt 20 erfolgt jedoch mit einem Krafteinleitungselement 22, welches aus zwei im Wesentlichen U-förmigen Befestigungselementen 13 und 14 aufgebaut ist, die mittels in Gewindebohrungen 8, 9, 11 , 12 eingeschraubte Schrauben 17, 18 zusammengehalten sind. Zur Befestigung des Krafteinleitungselements 22 an einer ortsfesten Fahrzeugstruktur dient ein an dem oberen U-förmigen Befestigungselement 13 festgeschweißter Schraubbolzen 23.

Die Figuren 4 und 5 zeigen schematische Querschnittsdarstellungen der Blattfedern 1' und 1" in den Schnittebenen BB bzw. CC der Figuren 2 und 3. Wie in beiden Figuren 4 und 5 erkennbar ist, greifen die vertikalen Schenkel der als Winkelstücke ausgebildeten Befestigungselemente 5, 6 bzw. 13, 14 in die Einengungen 15 und 16 der Blattfedern V und 1" formschlüssig ein. Während bei der Blattfeder 1' gemäß Fig. 4 die nur eine, obere Aufwölbung 3 von einem plattenförmigen Befestigungselement 10 des Krafteinleitungselements 21 abgedeckt ist, sind gemäß Fig. 5 die beiden Befestigungselemente 13 und 14 des Krafteinleitungselements 22 im Wesentlichen U-förmig ausgebildet, wobei deren längere, obere bzw. untere Schenkel auf den jeweils zugeordneten Aufwölbungen 3 bzw. 4 aufliegen, und deren kurze Schenkel in die Einengungen 15, 16 der Blattfedern 1', 1" form- und kraftschlüssig eingreifen.

Es ist aber auch möglich, dass die U-förmigen Krafteinleitungselemente so ausgebildet sind, dass diese seitlich in die zwei Einengungen 15, 16 der Blattfeder 1 eingesetzt und miteinander verbunden werden, so wie dies für die Ausführungsvariante der L-förmigen Winkelstücke 5, 6 in Fig. 1 dargestellt ist.

Bezugszeichen

1 Blattfeder

2 Faser

3 Obere Aufwölbung

4 Untere Aufwölbung

5 Erstes Befestigungselement, Winkelstück

6 Erstes Befestigungselement, Winkelstück

7 Unterer Schenkel des Winkelstücks 6

8 Bohrung

9 Bohrung

10 Zweites Befestigungselement, Platte

11 Bohrung

12 Bohrung

13 Zweites Befestigungselement, oberes Winkelstück

14 Erstes Befestigungselement, unteres Winkelstück

15 Einengung

16 Einengung

17 Schraube

18 Schraube

19 Längsachse der Blattfeder

20 Mittlerer Befestigungsabschnitt der Blattfeder

21 Krafteinleitungselement

22 Krafteinleitungselement

23 Schraubbolzen b Breite der Blattfeder t Tiefe der Einengung h Höhe der Aufwölbung

H Gesamthöhe der Blattfeder