Blattfeder, bestehend aus einem speziellen Faserverbundwerkstoff

Die Erfindung betrifft eine Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Blattfedern werden üblicherweise für Radaufhängungen an einem Fahrzeug verwendet, um dieses gegen unebene Gelände- bzw. Fahrwegbeschaffenheiten abzufedern. Solche Fahrzeuge können insbesondere Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und andere Nutzfahrzeuge, aber auch Schienenfahrzeuge und dergleichen sein.

Seit langem bekannt sind Blattfedern aus Stahl. Bei diesen sind einzelne, schmale Stahlbleche mit kleiner werdenden Längen übereinander gelegt, um eine variable Federkonstante bei zunehmender Belastung zu erreichen. Durch Klammerungen und/oder Schraubverbindungen sind die Bleche der Blattfedern zu einem Paket verbunden. Bei der Montage einer Blattfeder in einem Kraftfahrzeug erfolgt diese beispielsweise quer zur Fahrtrichtung, wobei der mittlere Bereich derselben an der Fahrtzeugkarosserie festgelegt ist, während die beiden axialen Enden der Blattfeder im Bereich der Aufhängung des rechten bzw. des linken Fahrzeugrades angeordnet sind. Wenngleich eine metallische Blattfeder vergleichsweise kostengünstig herstellbar und zuverlässig im Betrieb ist, so ist eine solche jedoch nachteilig schwer, welches zu einem relativ hohen Fahrzeuggewicht beiträgt und damit letztlich einen erhöhten Kraftstoffverbrauch verursacht.

Bekannt sind auch Blattfedern aus Faserverbundmaterialien, welche beispielsweise aus mit Kunstharz getränkten Glas- oder Kohlenstofffasern gebildet sind und bei gleicher Größe sowie vergleichbaren Federeigenschaften erheblich weniger Gewicht aufweisen als Stahl-Blattfedern. Solche Faserverbund-Blattfedern werden beispielsweise aus einzelnen harzgetränkten Faserlagen herge-

stellt, die unter dem Begriff „Prepreg" bekannt sind. Diese Prepregs werden in der gewünschten Gestalt gefertigt und/oder zugeschnitten und übereinander in eine Pressform eingelegt, die den Abmessungen der Blattfeder entspricht. Anschließend wird die Roh-Blattfeder in der Pressform unter Einwirkung von Druck und Wärme ausgehärtet.

Aus der DE 102 21 589 A1 ist eine Blattfeder aus einem Faserverbundmaterial bekannt, die einstückig aus einem zentralen Bogenabschnitt und end- seitig aus peripheren Abschnitten besteht. Die peripheren Abschnitte besitzen an ihrem jeweiligen axialen Ende eine öse mit einer öffnung zur Aufnahme eines Bolzens zum Zwecke der Befestigung der Blattfeder am Fahrzeugchassis. Nachteilig hierbei ist die Einbringung der Befestigungsöse in die Blattfeder, die nur durch eine konstruktiv aufwendige Pressform oder durch einen die Fasern durchtrennenden Stanzvorgang zu realisieren ist.

Bei anderen Blattfederkonstruktionen aus Faserverbundwerkstoffen sind die Endabschnitte angeschrägt. Dabei wird der jeweilige Endabschnitt nach dem Aushärten der Blattfeder der angeschrägten Form entsprechend zurechtge- schnitten. Dies hat zur Folge, dass auch die Fasern des Werkstoffes angeschnitten werden. Die Schnittstellen führen bei Dauerwechselbelastungen der Blattfeder häufig zu Rissen, die von den Schnittstellen ausgehen und im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung der Fasern verlaufen. Diese Risse wiederum können zum Bruch der Blattfeder führen.

Aus der EP 0 093 707 B1 beziehungsweise der dazu parallelen US 4,557,500 B1 ist eine Blattfeder aus einem Faserverbundmaterial bekannt, die an ihren axialen Enden schmaler und dicker als in einem zentralen, rechteckigen Abschnitt ausgebildet ist. Der Bereich der axialen Enden der Blattfeder kann in Draufsicht dabei etwa trapezförmig ausgebildet sein. Die Fläche von rechtwinkligen Querschnitten der Blattfeder von einem Federende bis zu dem anderen Federende kann gemäß einer anderen Variante konstant sein. Bei einer

anderen Bauart dieser Blattfeder sind die Verbundfasern von einem bis zum anderen axialen Ende ungeschnitten. Die Geometrie der Blattfeder wird während deren Herstellung durch Pressformen erzeugt.

Außerdem ist aus der DE 102004 010 768 A1 der Anmelderin eine Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem zentralen Längsabschnitt und axialen Enden für eine Radaufhängung an einem Fahrzeug bekannt, bei der die axialen Enden hinsichtlich der Blattfederbreite sich verjüngend ausgebildet sind, und bei der axial ausgerichtete Fasern des Faserverbundwerkstoffs ungekürzt bis zur Abschlusskante der Blattfeder geführt sind. Außerdem ist bei dieser Blattfeder vorgesehen, dass sie aus harzgetränkten Faserlagen aufgebaut ist, die bei der Herstellung der Blattfeder an ihren axialen Enden in einer Draufsicht eine V- förmige Geometrie bzw. einen V-förmigen Einschnitt aufweisen und somit jeweils zwei quer zur Längserstreckung der Blattfeder ausgebildete Schenkel bilden. Diese beiden Schenkel werden im Herstellprozess eng aneinandergelegt und ausgehärtet, so dass die fertig gestellte Blattfeder im Bereich ihrer Enden etwa trapezförmig ausgebildet ist und keine Materialaufdickung in diesem Bereich aufweist.

Aus dieser Druckschrift ist zudem bekannt, dass die Blattfeder in ihrem zentralen Bereich durch geometrisch einfache, rechteckige Faserlagen hinsichtlich deren Bauteildicke verstärkt werden kann, während zur Ausbildung der V- förmigen axialen Enden der Blattfeder entsprechend ausgebildete und über die gesamte Bauteillänge geführte Faserlagen verwendet werden.

Eine Blattfeder gemäß der DE 10 2004 010 768 A1 ist mit einigen Vorteilen verbunden, da diese über beinahe ihre gesamt Länge im Wesentlichen konstante Querschnittsflächen sowie eine konstante Dicke mit am axialen Ende verringerter Breite aufweist, ohne dass dieselbe an ihren axialen Enden beschnitten werden muss.

Schließlich ist es aus der DE 41 06 658 A1 und der DE 44 22 473 C2 bekannt, dass der Faservolumenanteil in einer Faserverbundblattfeder mit guten technischen Eigenschaften mehr als 50% beträgt, vorzugsweise 60% bis 70%.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Blattfeder gemäß der DE 10 2004 010 768 A1 aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen, welcher ein solches Verhältnis von Fasern und der noch flüssigen Werkstückkomponente sowie ein solches Mischungsverhältnis der Bestandteile der noch flüssigen Werkstückkomponente aufweist, dass die Blattfeder technisch einfach und kostengünstig herstellbar ist, sowie beispielsweise bei einer Nutzung in einem kleinen Nutzfahrzeug, wie etwa einem Stadtlieferfahrzeug, den während dessen Betrieb auftretenden Belastungen über die maximale Lebensdauer standhalten kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine spezielle Auswahl der Mischungsanteile der noch flüssigen Werkstückkomponente ist dem einzigen Unteranspruch entnehmbar.

Demnach geht die Erfindung aus von einer Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem zentralen Längsabschnitt und zwei daran anschließenden axialen Endabschnitten für eine Radaufhängung an einem Fahrzeug, bei der die Endabschnitte hinsichtlich der Blattfederbreite sich verjüngend ausgebildet sind, wobei die Blattfeder aus harzgetränkten Faserlagen aufgebaut ist, wobei sich axial ausgerichtete Fasern des Faserverbundwerkstoffs ungekürzt bis zu den axialen Enden der Blattfeder erstrecken, und bei der die axialen Endabschnitte vor Fertigstellung der Blattfeder eine im Wesentlichen V-förmige Geometrie bzw. einen im Wesentlichen V-förmigen Einschnitt aufweisen und somit axial jeweils zwei quer zur Längserstreckung der Blattfeder ausgebildete Schenkel bilden, wobei diese Schenkel in der fertiggestellten Blattfeder eng aneinander liegen, und wobei der Faservolumenanteil in der ausgehärteten Blattfeder mehr als 50% beträgt.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass der Faserverbundwerkstoff der genannten Blattfeder besteht aus: a) dem Kunstharz EPR 05322 der Firma Hexion, b) dem Härter EPH 778 der Firma Hexion c) dem Beschleuniger EPC 120 der Firma Hexion, und d) Glasfasern des Typs SE 1500 2400 tex AdvantexT30 der Firma Owens Corning Fiberglas, wobei in der noch nicht ausgehärteten Blattfeder zur Bildung der zunächst flüssigen Werkstückkomponente einem Gewicht von 0,1 Kilogramm Kunstharz 0,012 kg bis 0,018 Kilogramm Härter sowie 0,003 Kilogramm bis 0,007 Kilogramm Beschleuniger zugemischt ist.

Bevorzugt ist bei der der noch nicht ausgehärteten Blattfeder einem Gewicht von 0,1 Kilogramm Kunstharz 0,015 kg Kilogramm Härter sowie 0,005 Kilogramm Beschleuniger zugemischt.

Der Kunstharz EPR 05322 ist auch unter der Bezeichnung EPIKOTE™ Resin 05322 oder BAKELITE® EPR 05322 bekannt geworden. Es handelt sich dabei um einen wasserunlöslichen, modifizierten Epoxydharz mit Bisphenol-A- Epichlorhydrinharze MG ≤ 700. Der Flammpunkt dieses Kunstharzes liegt bei mehr als 200 ⁰ C.

Der Härter EPH 778 ist auch unter der Bezeichnung EPIKURE™ Curing Agent 778 oder BAKELITE® EPH 778 bekannt geworden. Es handelt sich dabei um einen wasserunlöslichen Epoxidhärter mit Bisphenol-A-Epichlorhydrinharze MG < 700. Der Flammpunkt dieses Härters liegt bei mehr als 200 ⁰ C. Der Dampfdruck bei 20°C ist kleiner als 0,1 hPa, die Dichte bei 20°C beträgt ca. 1 ,2 g/cm ³ .

Der Beschleuniger EPC 120 ist auch unter der Bezeichnung EPIKURE™ Catalyst 120 oder BAKELITE® EPC 120 bekannt geworden. Es handelt sich dabei um einen wasserunlöslichen Epoxidhärter mit Bisphenol-A-Epichlor- hydrinharze MG ≤ 700. Der Flammpunkt dieses Beschleunigers liegt bei mehr als 200 ⁰ C. Die Zündtemperatur beträgt mehr als 380 ⁰ C. Die Dichte bei 20°C beträgt ca. 1 ,2 g/cm ³ .

Mit den oben genannten Merkmalen des Anspruchs 1 wird einem Fachmann mitgeteilt, wie er das Harz-Härter-Beschleuniger-Gemisch anzusetzen hat bzw. wie die Mischungsanteile der flüssigen Komponente in der noch nicht ausgehärteten Blattfeder sind. Dies ist vor allem deshalb sinnvoll, weil in einem kontinuierlichen Fertig u ngsprozess in einer Fabrik, bei dem ständig Faserverbund- Blattfedern hergestellt werden, das Harz-Härter-Beschleuniger-Gemisch kontinuierlich bereitgestellt wird, um damit beispielsweise Prepregs, also harzgetränkte Faserlagen, für den konkreten Aufbau der Faserverbund-Blattfeder herstellen zu können. Dabei ist es dem Fachmann an sich geläufig, dass der Faseranteil in einem ausgehärteten Faserverbundwerkstoff möglichst hoch sein soll. In der Praxis werden Werte von 50% bis 70% Faservolumenanteil erreicht. Der Rest wird durch die ausgehärtete und ehemals flüssige Werkstoff komponente gebildet. Im übrigen führt ein geringerer Faseranteil allenfalls zu einem qualitativ schlechteren Produkt. Entscheidend ist gemäß der Erfindung die Zusammensetzung der Faserverbund-Blattfeder aus den jeweils angegebenen Materialien und insbesondere aus den Mischungsanteilen der zunächst noch flüssigen Werkstoffkomponente.

Demgemäß beträgt das Gesamtgewicht der fertig gemischten noch flüssigen Werkstückkomponente bezogen auf die Mischungsanteile im Falle der unteren Grenzwerte des Anspruchs 1 beispielsweise:

0,1 Kg + 0,012 Kg + 0,003 Kg = 0,115 Kg beziehungsweise

100 Gewichtsanteile Kunstharz EPR 05322 + 12 Gewichtsanteile Härter

EPH 778 + 3 Gewichtsanteile Beschleuniger EPC 120, in Summe also 115 Gewichtsanteile, und im Fall der oberen Mischungsgrenze 0,1 Kg + 0,018 Kg + 0,008 Kg = 0,126 Kg.

Gemäß einer anderen Darstellungsweise sind diese Mischungsverhältnisse auch als %-Angaben auflistbar. Demnach gilt:

Untere Grenze Obere Grenze

Kunstharz EPR 05322 87,0 % 79,4 %

+ Härter EPH 778 10,4 % 14,3 %

+ Beschleuniger EPC 120 2,6 % 6,3 %

= noch flüssigen Werkstückkomponente: 100,0 % 100,0 %

Untersuchungen an derart hergestellten Blattfedern zeigten, dass deren Herstellung vergleichsweise kostengünstig und einfach durchführbar ist. Zudem halten derartige Blattfedern allen statischen und dynamischen Lasten stand, die typischerweise während der Lebensdauer eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines kleinen Nutzfahrzeuges auftreten, wie beispielsweise bei einem Stadtlieferfahrzeug mit bis zu 7.500 Kilogramm zulässigem Gesamtgewicht.

Zu den oben mit ihren aktuellen Warenbezeichnungen genannten Bestandteilen der zunächst flüssigen Werkstückkomponente werden nachfolgend zusätzlichen Werkstoffeigenschaften angegeben:

Die erste Zeile dieser Tabelle verdeutlicht, dass die zunächst flüssigen Bestandteile der erfindungsgemäßen Blattfeder vollständig aushärten. Ein gemäß der Erfindung hergestelltes Laminat zeichnet sich durch eine Härtungstemperatur von 85 ⁰ C bei einer Mindesthärtungszeit von 10 Stunden aus.

Die Glasfasern des Typs SE 1500 2400 tex AdvantexT30 der Firma Owens Coming Fiberglas weisen folgende Materialeigenschaften auf:

Die Glasfasern sind mit einer Epoxydharz-Schlichte von EP= 0,55% versehen. Die TEX-Nummer ist 2400 ± 8%, so dass ein 10 Meter langer, von einer Rolle abgewickelter Roving aus diesen Glasfasern 2400 Gramm ± 8% wiegt. Die maximale Zugfestigkeit beträgt 908 MPa und das Dehnungsmodul beträgt 73 GPa ± 1,5 GPa. Die Filament-Nummer 4000 ± 200.