Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Verfahren zur Herstellung von Schraubenfedern mit speziell ausgeformten Enden sowie die so erzeugten Schraubenfedern.

Unter Schraubenfedern werden Federn verstanden, die einen Federdraht aufweisen, der sich helixartig gewunden von einem ersten Federende zu einem zweiten Federende erstreckt. Die Schraubenfeder weist dabei eine Längsachse auf, um die herum die Windungen des Federdrahtes verlaufen. Der Außendurchmesser der Schraubenfeder wird durch die von dieser Längsachse radial am weitesten entfernten Oberflächenabschnitte des Federdrahtes bestimmt. Der Innendurchmesser durch die radial am nächsten zur Längsachse befindlichen Oberflächenabschnitte des Federdrahtes. Die Federdrähte weisen dabei häufig einen über die gesamte Länge konstanten Querschnitt auf. Dieser ist meist kreisrund. Es sind jedoch auch elliptische Querschnitte oder polygonale Formen bekannt.

Die Achse des Federdrahtes (Federdrahtachse) verläuft in den genannten helixartigen Windungen um die Längsachse der Schraubenfeder herum.

Schraubenfedern werden in einer Vielzahl von technischen Feldern angewandt. Ein besonders bedeutsames Anwendungsgebiet ist der Fahrzeugbau. Hier dienen die Federn häufig als stoßminderndes Element in Fahrgestellen. In diesem Anwendungsgebiet sind die Federn häufig als Stahlfedern ausgeführt. Dies ermöglicht eine gute Federwirkung bei begrenzter Baugröße, bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass die Federn ein hohes Gewicht aufweisen. Davon ausgehend haben sich die Bestrebungen herausgebildet, Stahlfedern durch Federn in Faserverbundbauweise zu ersetzen. Problematisch ist dabei, dass die Federn in Faserverbundbauweise in den Bauraum, der für Stahlfedern vorgesehen ist, eingesetzt werden sollen. Die für Federn in Faserverbundbauweise eingesetzten Grundwerkstoffe verfügen im Allgemeinen über geringere Steifigkeiten als die isotropen Metalllegierungen von Stahlfedern. Die Federdrähte der Schraubenfedern in Faserverbundbauweise sind daher unter Umständen mit größerem Durchmesser auszuführen. Dies reduziert, bei konstant gehaltenem Bauraum, den zur Verfügung stehenden Federweg. Daher kann es bei Schraubenfedern in Faserverbundbauweise eher zu einem Aufeinandertreffen der einzelnen Federwindungen - dem sogenannten Blocken - kommen.

Es gibt nunmehr eine Reihe von Bemühungen, die Federn möglichst kompakt auszuführen und dabei das Problem des Blockens, dass auch bei Schraubenfedern aus anderen Materialien bekannt ist, zu unterbinden bzw. ohne Undefinierte Kraftverteilungen, wie sie bei dem Aufeinandertreffen von Federwindungen aus Federdraht mit kreisförmigem Querschnitt zu erwarten sind, ablaufen zu lassen.

Die EP 2 461 066 A1 schlägt vor, den Federdraht an den, in Längsrichtung der Feder übereinander liegenden Windungen, abzuflachen. So werden Kontaktflächen ausgebildet, auf denen die aneinanderstoßenden Windungen definiert aufliegen. Nachteilig bei dieser Gestaltung ist, dass der Querschnitt des Federdrahtes reduziert und damit die Tragfähigkeit und Steifigkeit der Feder vermindert wird.

Ein ähnliches Vorgehen schlägt die DE 44 06 826 B4 vor. Hier wird eine Schraubenfeder in einem Drehschwingungsdämpfer eingesetzt. Die Längsachse der Schraubenfeder ist dabei gekrümmt. Es wird vorgeschlagen, an dem Federdraht mindestens eine Abflachung vorzusehen, an der die nebenliegende Windung aufliegen kann. Aufgrund der Krümmung der Längsachse der Schraubenfeder sind die Auflageflächen benachbarter Windungen nicht parallel zueinander, sondern unter einem Winkel gegeneinander geneigt. Auch hier wird eine Reduzierung der Tragkraft der Feder in Kauf genommen.

Einen anderen Ansatz zur Verlängerung des zur Verfügung stehenden Federweges besteht darin, die Windungsradii, also den Abstand der Achse des Federdrahtes in einer Windung von der Längsachse, zu variieren. Dies führt jedoch zu einer ungleichmäßigen Beanspruchung der Feder über ihre Länge. Ein Versagen ist so wahrscheinlicher.

Beispielhaft sei für dieses Vorgehen die DE 10 2015 221 126 A1 genannt. Diese Schraubenfeder soll besser gegen seitliche Kräfte stabilisiert sein. Dazu sind die Federenden in speziellen Federsitzen angeordnet, die an den Enden der Feder in diese eingreifen. Die letzte Windung der Schraubenfeder, die auf dem Federsitz aufliegt, ist dabei verengt. Dies verhindert ein seitliches Verrutschen des Federendes im Sitz, ermöglicht jedoch dem Federmittelteil eine seitliche Bewegung.

Die DE 10 2013 208 270 A1 hat ebenfalls eine Lösung für das Federende einer Schraubenfeder zum Gegenstand. Bekannte Schraubenfedern weisen angeschliffene Enden des Federdrahtes auf. Das Anschleifen erfolgt dabei vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse der Feder (Federlängsachse). Der Federdraht liegt dann mit dem angeschliffenen Bereich auf dem Federsitz auf. Dabei bleibt die Steigung der Windungen des Federdrahtes auch in diesem Bereich (im entspannten Zustand) gleich der des Mittelteils der Feder. Der kraftaufnehmende Querschnitt des Federdrahtes wird dabei jedoch immer geringer, so dass ein Versagen in diesem Bereich wahrscheinlich wird. Die DE 10 2013 208 270 A1 versucht dem entgegenzuwirken, indem das angeschliffene Ende elliptisch eingezogen, also in Richtung auf die Längsachse der Feder verformt ist. Ein Anschleifen ist für Federn aus Faserverbundmaterial jedoch ungeeignet, da eine Beschädigung der Faserverstärkung, wie sie beim Anschleifen der Federenden nicht zu vermeiden wäre, die Tragfähigkeit der gesamten Feder schädigen würde. Der angeschliffene Bereich besitzt durch die unterbrochene Faserführung über abgeminderte mechanische Eigenschaften und abgeminderte Widerstandseigenschaften gegenüber korrosiven Einflüssen.

Der Stand der Technik bietet eine Vielzahl von Lösungen für Stahlfedern. Nur die wenigsten sind jedoch für Federn aus Faserverbundmaterial geeignet.

Es stellt sich somit die Aufgabe, eine Möglichkeit vorzuschlagen, wie Schraubenfedern aus Faserverbundmaterial, besonders in den Endbereichen, vorteilhaft so gestaltet werden können, dass ein möglichst großer Federweg unter Beibehaltung einer möglichst gleichmäßigen Steifigkeit über die gesamte Federlänge erreicht wird. Darüber hinaus sind ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schraubenfeder sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Schraubenfeder aufzuzeigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Schraubenfeder nach Anspruch 1 gelöst. Herstellungsverfahren sind in den Ansprüchen 13 bis 15 offenbart. Eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schraubenfeder ist in den Ansprüchen 16 bis 18 gegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Vorgehensweisen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen dargestellt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Schraubenfeder, die mehrere Windungen aus einem helixartig gewundenen Federdraht aus faserverstärktem Kunststoff material aufweisend eine Faserverstärkung und ein Matrixmaterial, aufweist, wobei die Faserverstärkung über die gesamte Länge des Federdrahtes als Endlosfasermaterial mit konstanter Faseranzahl verläuft, wobei die Schraubenfeder zwei Federenden und an mindestens einem der Federenden in einer letzten Windung der Schraubenfeder einen Übergangsbereich und daran in Richtung des Endes des Federdrahtes anschließend einen Endbereich aufweist wobei eine Querschnittsfläche des Federdrahtes im Übergangsbereich von einer Querschnittsfläche des Federdrahtes in einem Mittelteil der Feder in eine geringere Querschnittsfläche des Endbereiches übergeht, indem der Faservolumengehalt im Federdraht im Verlauf des Übergangsbereichs kontinuierlich erhöht wird. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schraubenfeder, aufweisend mindestens die folgenden Schritte:

Bereitstellen des Federdrahtes,

Winden des Federdrahtes in die angestrebte Federform,

Weiterverarbeitung des gewundenen Federdrahtes im unkonsolidierten oder teilkonsolidierten Zustand, wobei der Federdraht im unkonsolidierten oder im erneut erweichten Zustand an den Endstücken in eine andere Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche gebracht wird, als der Federdraht zwischen den Endstücken aufweist, vollständige Konsolidierung des faserverstärkten Kunststoffmaterials des Federdrahtes nach der Weiterverarbeitung.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schraubenfeder, enthaltend mindestens ein Formwerkzeug, wobei das Formwerkzeug in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist, in welchen ein zu verformender Endbereich oder ein zu verformender Endbereich und ein zu verformender Übergangsbereich des zumindestens in diesen Bereichen unkonsolidierten Federdrahtes einlegbar ist, wobei der Hohlraum die angestrebte Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche des Endbereiches oder des Endbereiches und des Übergangsbereiches abbildet.

Die erfindungsgemäße Schraubenfeder weist mehrere Windungen aus einem helixartig gewundenen Federdraht aus faserverstärktem Kunststoff material auf. Der Federdraht weist somit eine Faserverstärkung und ein Matrixmaterial auf. Die Faserverstärkung des Kunststoffmaterials verläuft als Endlosfasermaterial mit konstanter Faseranzahl über die gesamte Länge des Federdrahtes. Unter„Endlosfasermaterial“ wird ein Material verstanden, dessen Fasern im Wesentlichen unterbrechungsfrei verlaufen, wobei technologisch bedingte Brüche einzelner Filamente unberücksichtigt bleiben. Die Faserverstärkung verläuft dabei im Inneren des Federdrahtes.

Die Schraubenfeder weist zwei Federenden sowie an mindestens einem der Federenden in der letzten Windung der Schraubenfeder einen Übergangsbereich und daran in Richtung des Endes des Federdrahtes anschließend einen Endbereich auf. Erfindungsgemäß weist die Schraubenfeder an einem oder an beiden Enden eine von der Querschnittsform des Federdrahtes im Mittelteil abweichende Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche auf, wobei jedoch die Faserverstärkung in ihrer Faserzahl konstant bleibt.

Bevorzugt ist die Querschnittsform des Federdrahtes zumindest im Mittelteil kreisförmig. Es sind jedoch auch elliptische Querschnittsformen (mit der Ausrichtung der großen Halbachse senkrecht oder vertikal zur Längsachse der Feder) oder rechteckige Formen (mit abgerundeten Ecken) möglich.

Der Federdraht besteht aus einer oder mehreren Lagen aus geflochtenen oder gewickelten Faserlagen. Diese können sich in Faserorientierung (Winkel zur Federdrahtachse) oder in der Herstellungsweise (bspw. geflochten, gewickelt, tapegelegt, unidirektionale Einzelrovings abgelegt) unterscheiden. Der Federdraht weist dabei Endlosfasern auf, die sich im Wesentlichen unterbrechungsfrei über die gesamte Länge des Federdrahtes erstrecken. Optional ist auch der Einsatz von unverstärkten, kurzfaserverstärkten und/oder langfaserverstärkten Zwischenlagen möglich.

Die Feder weist optional einen Kern auf. Dieser besteht vorzugsweise aus Faserverbundmaterial, bei dem die Fasern unidirektional oder leicht verdrillt parallel zur Federdrahtachse verlaufen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sehen einen hohlen Kern vor, bei dem ein axialer Hohlraum von einem Faserverbundmaterial oder einer unverstärkten Kunststoffumhüllung umgeben ist. Weiterhin bevorzugt ist ein Kern, der vollständig aus Kunststoff besteht oder ein Kern, der ausschließlich durch einen Hohlraum gebildet wird. Das Kernmaterial kann ausschmelzbar sein.

Die Faserverstärkung des Federdrahtes ist von einem Matrixmaterial umgeben, dass auch zwischen die Verstärkungsfasern eingedrungen ist. Als Material der Faserverstärkung kommen vorzugsweise die bekannten Fasermaterialien des Faserverbundleichtbaus zum Einsatz. Dies sind beispielsweise Glasfasern, Kohlenstoffasern, Metallfasern, Gesteinsfasern, Naturfasern etc. Als Matrixmaterialien werden duroplastische Materialien, vorzugsweise Harzsysteme (Epoxidharze, Polyesterharze, Phenolharze etc.) eingesetzt. Es sind auch thermoplastische Kunststoffe denkbar, wenn es die Anforderungen zulassen. Beispielsweise befindet sich die Feder hauptsächlich im unbelasteten Zustand und wird nur selten für eine kurze Zeit belastet oder der thermoplastische Kunststoff erfüllt die notwendigen Kriechanforderungen. Als Federende wird die letzte Windung des Federdrahtes der Schraubenfeder bezeichnet. Der Übergangsbereich beginnt frühestens eine halbe Windung vor dem Beginn des Federendes. Bevorzugt beginnt der Übergangsbereich mit dem Federende, setzt also mit Beginn der letzten Windung ein. Der Übergangsbereich umfasst vorzugsweise eine Achtel, besonders bevorzugt eine Viertel Windung, kann jedoch auch die gesamte letzte Windung umfassen, so dass mit dem Ende des Federdrahtes die abschließende Querschnittsform des Federdrahtes erreicht wird. Besonders bevorzugt beginnt der Übergangsbereich innerhalb des Federendes, bevorzugt eine halbe Windung vor Ende des Federdrahts. Der Übergangsbereich umfasst vorzugsweise eine Achtel, besonders bevorzugt eine Viertel Windung, kann jedoch auch den gesamten verfügbaren Bereich an Windung zum Ende des Federdrahtes umfassen, so dass mit dem Ende des Federdrahtes die abschließende Querschnittsform des Federdrahtes erreicht wird. Der Übergangsbereich kann jedoch auch so beginnen, so dass mit dem Ende des Federdrahtes die abschließende Querschnittsform gerade erreicht wird ohne dabei Querschnittsänderungen einzubringen, die zu einer mechanischen Beeinträchtigung der Feder führen. Es dürfen beispielsweise keine scharfkantigen Kerben mit Faserbrüchen im Übergangsbereich auftreten, wenn das die Funktionsweise der Feder gefährdet.

Die erfindungsgemäße Schraubenfeder weist an einem oder an beiden Enden eine von der Querschnittsform des Federdrahtes im Mittelteil abweichende Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche auf, wobei jedoch die Faserverstärkung in ihrer Faserzahl konstant bleibt. Dies wird bevorzugt mittels einer der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen realisiert.

Vorzugsweise wird die Verteilung der Faserverstärkung und des Matrixmaterials in den Federenden gegenüber dem Mittelteil der Schraubenfeder so abgewandelt, dass die über dem Federende liegende Windung einen größeren Abstand erhält, als dies bei unverändertem Querschnitt und gleicher Steigungsverteilung der Federdrahtachse der Fall wäre und so ein längerer Einfederweg entsteht. Die Steigung der Schraubenfeder (Windungssteigung) bezeichnet die Komponente des räumlichen Gradienten der Federdrahtachse, welche in Richtung der Federlängsachse zeigt. Aufintegriert ergibt sich der Abstand der Federdrahtachse zu den jeweiligen Achsen der Nachbarwindungen in Federlängsrichtung. Die Federlängsachse kann die Form einer durchgängig geraden Linie, abschnittsweise linear entlang der Federlängsrichtung, krummlinig (bspw. bananenförmig) oder aus einer Kombination der voran genannten Möglichkeiten aufweisen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Inhalt der Querschnittsfläche des Federdrahtes über die gesamte Länge der Feder konstant ist. Dabei erfolgt der Übergang von der Querschnittsform des Federdrahtes im Mittelteil der Feder in einem Übergangsbereich in den Querschnitt des Federdrahtes am Endbereich des Federdrahtes in kontinuierlicher Weise. Dies beinhaltet den fließenden Übergang von der Querschnittsform im Federmittelteil in die Querschnittsform an dem Federende bzw. den Federenden. Insbesondere wird dies erreicht, indem die Faserverstärkung und das Matrixmaterial in dem Federdraht eine andere Verteilung aufweisen, als im Mittelteil der Feder. Die Federdrahtachse verschiebt sich dabei entsprechend, um der gleichbleibenden Geometrie der Federauflager Rechnung zu tragen. Dabei verformt sich auch der Kern aus seiner Querschnittsform im Mittelteil in die Querschnittsform am Federende. Bevorzugt verformt sich der Kern mathematisch ähnlich. Optional bleibt der Federkern im Übergangsbereich unverformt.

Werden die Querschnittsform im Mittelteil und im Endbereich übereinander gelegt, so dass die größtmögliche Überschneidung vorliegt, beträgt die nicht überschneidende Fläche der Querschnittsfläche des Endbereichs mindestens einen Wert von mindestens 2%, bevorzugt mindestens 5% und besonders bevorzugt mindestens 10% bezogen auf Gesamtquerschnittsfläche des Endbereichs. Die nicht überschneidende Fläche der Querschnittsfläche des Endbereichs beträgt maximal 70% bezogen auf die Gesamtquerschnittsfläche des Endbereichs, vorzugsweise maximal 60%.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geht die Querschnittsform des Federdrahtes im Übergangsbereich von einer Querschnittsform des Federdrahtes in einem Mittelteil der Schraubenfeder in eine Querschnittsform des Endbereiches über, indem die Verteilung der Faserverstärkung und des Matrixmaterials im Federdraht im Verlauf des Übergangsbereichs kontinuierlich so geändert werden, dass eine über dem Federende liegende Windung einen größeren Einfederweg zur letzten Windung erhält, als dies bei unveränderter Querschnittsform der Fall wäre

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Querschnittsfläche des Federdrahtes im Endbereich geringer ist, als im Mittelteil der Feder. Auch hier erfolgt der Übergang von der Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder in einem Übergangsbereich in die Querschnittsfläche des Federdrahtes am Endbereich des Federdrahtes in kontinuierlicher Weise. Kennzeichnend ist bei dieser Ausführungsform, dass das Faserverstärkungsmaterial im Endbereich identisch mit dem im Mittelteil der Feder und im Übergangsbereich ist. Dies betrifft Faserart, Faseranzahl und sämtliche weiteren, die Faserverstärkung kennzeichnenden Eigenschaften mit Ausnahme der Faserdichte im Matrixmaterial. Bevorzugt laufen sämtliche Endlosfasern durch den gesamten Federdraht. Im Endbereich liegen die Fasern lediglich näher beieinander und sind von weniger Matrixmaterial umgeben.

Die Querschnittsfläche im Endbereich ist dabei kleiner als die Querschnittsfläche im Mittelbereich. Beispielsweise weist der Flächeninhalt der Querschnittsfläche im Endbereich einen um mindestens 2%, bevorzugt mindestens 4% und besonders bevorzugt mindestens 8% geringeren Wert auf bezogen auf die Querschnittsfläche im Mittelteil. Die Verringerung der Querschnittsfläche ist in der Art begrenzt, als dass ein maximaler Faservolumengehalt technisch nicht überschritten werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein Federende, bei dem neben einer reduzierten Querschnittsfläche auch die Querschnittsform des Federendes gegenüber dem Mittelteil der Feder verändert ist. Auch hier ist ein Übergangsbereich vorgesehen, der Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche aus dem Mittelteil der Feder in einem fließenden Übergang in Querschnittsform und Fläche des Endbereichs überführt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die mit den oben genannten kombiniert werden kann, bleibt die Querschnittsform am Endbereich des Federdrahtes, anschließend an den Übergangsbereich, bevorzugt über ein Viertel, besonders bevorzugt über ein Drittel und ganz besonders bevorzugt über zwei Drittel der letzten Windung des Federdrahtes konstant.

Bevorzugt ist der Drahtquerschnitt der Schraubenfeder mindestens im Mittelbereich zwischen den beiden Federenden konstant. Das heißt an dieser Stelle, dass sowohl Querschnittsform als auch Querschnittsfläche, abgesehen von fertigungstechnisch bedingten Einflüssen (unterschiedliche Wickelspannung, Formkerntoleranzen etc.), unverändert bleiben.

In einer Ausführungsform wird die Querschnittsform des Federdrahtes an den Federenden vorzugsweise so abgewandelt, dass diese aus der Querschnittsform im Mittelteil der Feder in eine Querschnittsform im Endbereich des Federdrahtes übergeht, die einen geringeren Durchmesser des Federdrahtes in Längsrichtung der Feder aufweist oder die Faserverstärkung und das Matrixmaterials derart verteilt sind, dass der Federdraht eine nutartige Vertiefung aufweist, die den Abstand zur vorletzten Windung vergrößert. Weiterhin ist es möglich, dem Federdraht an den Federenden einen Querschnitt zu verleihen, der der Bewegung der vorletzten Windung weniger entgegensteht. Dies kann bspw. erreicht werden, indem der geometrische Schwerpunkt der Querschnittsform des Federdrahtes von der Längsachse der Feder aus gesehen radial nach innen oder nach außen verlagert wird. Kennzeichnend bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Federenden ist, dass der Flächeninhalt der Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder, im Übergangsbereich und auch im Endbereich des Federdrahtes gleichbleibt. Es ändert sich lediglich die Form der Querschnittsfläche.

Insbesondere geht der Federdraht, der im Mittelteil der Feder vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist in einen ellipsenförmigen Querschnitt über, wobei die kleine Halbachse der Ellipse in Längsrichtung der Feder ausgerichtet ist. Eine andere Ausführungsform sieht einen Übergang in einen abgeflachten Querschnitt mit einer Auskehlung gegenüber der vorletzten Windung vor. Weiterhin bevorzugt ist ein unregelmäßiger Querschnitt, der eine Verschiebung der Wölbung des ursprünglich runden Querschnitts radial nach innen oder außen aufweist.

Diese veränderten Querschnittsformen am Federende gehen optional mit einer Abflachung des Federdrahtes in Richtung des Endes der Längsrichtung der Feder einher. Dies führt vorteilhaft zu einer vergrößerten Auflagefläche des Federendes im Federsitz.

Optional wird ein unregelmäßiger Querschnitt des Endbereichs des Federdrahtes, der eine Verschiebung der Wölbung des ursprünglich runden Querschnitts radial nach innen oder außen aufweist, mit einem Einziehen bzw. Ausstellen des Endbereichs des Federdrahtes kombiniert. Dabei wird der Endbereich des Federdrahtes eingezogen, wenn die Wölbung zur Längsachse der Feder gerichtet ist und ein Ausstellen erfolgt, wenn die Wölbung von der Längsachse der Feder weg gerichtet ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Querschnittsfläche des Federdrahtes an den Federenden vorzugsweise so abgewandelt, dass diese aus der Querschnittsfläche im Mittelteil der Feder in eine geringere Querschnittsfläche im Endbereich des Federdrahtes übergeht. Kennzeichnend bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform der Federenden ist, dass im Übergangsbereich die Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder, die einen ersten Flächeninhalt aufweist, in eine Querschnittsfläche im Endbereich des Federdrahtes, die einen zweiten, gegenüber dem ersten Flächeninhalt geringeren Flächeninhalt aufweist, übergeht. Vorzugsweise bleibt die Querschnittsform jedoch unverändert, also im mathematischen Sinne, geometrisch-ähnlich. Dies bedeutet, dass eine Querschnittsfläche im Mittelteil, eine Querschnittsfläche im Übergangsbereich und eine Querschnittsfläche im Endbereich im mathematischen Sinn geometrisch-ähnlich zueinander sind. Dies ist gegeben, wenn die Querschnittsflächen durch eine geometrische Ähnlichkeitsabbildung ineinander überführt werden können. Das heißt, es gibt eine geometrische Abbildung, die sich aus zentrischen Streckungen und Kongruenzabbildungen (also Verschiebungen, Drehungen, Spiegelungen) zusammensetzen lässt und die eine Querschnittsfläche auf die andere abbildet. Bspw. hat der Federdraht somit einen kreisförmiger Querschnitt im Mittelteil, im Übergangsbereich und im Endbereich. Es ändert sich lediglich der Flächeneinhalt der Querschnittsfläche. Dies wird vorzugsweise erreicht, indem die Faserverstärkung aus dem Mittelteil ohne Unterbrechung durch den Übergangsbereich in den Endbereich des Federdrahtes geführt wird. Dabei ist im Endbereich jedoch weniger Matrixmaterial enthalten. Die Faserdichte (Faservolumengehalt) nimmt somit aus dem Mittelteil durch den Übergangsbereich in den Endbereich zu. Der Endbereich weist dann eine höhere Faserdichte (Faservolumengehalt) als der Mittelteil und der Übergangsbereich auf. Der Wert des Faservolumengehalts des Endbereichs liegt beispielsweise um 10% über dem Wert des Faservolumengehalts aus dem Mittelteil. Er kann jedoch auch andere Differenzen mit einem Wert größer Null annehmen und der Faservolumengehalt des Endbereichs kann bis knapp unter das theoretische Maximum von 80% erhöht sein. Durch die reduzierte Querschnittsfläche des Federdrahtes entsteht so im Endbereich der Feder ein vergrößerter Einfederweg.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Kombination von vorgenannten Ausführungsformen. Die Querschnittsform und auch die Querschnittsfläche ändern sich von dem Mittelteil der Feder über den Übergangsabschnitt zum Endbereich. Insbesondere nimmt die Querschnittsfläche durch Erhöhung des Faservolumengehaltes des Federdrahtes ab, d.h. das Faserverstärkungsmaterial erstreckt sich bei abnehmendem Matrixmaterialgehalt ohne Unterbrechung aus dem Mittelteil der Feder durch den Übergangsbereich in den Endbereich. Dabei kommt lediglich weniger Matrixmaterial zum Einsatz, während das Faserverstärkungsmaterial in seiner Verteilung verändert wird. Durch die reduzierte Querschnittsfläche des Federdrahtes entsteht so im Endbereich der Feder ein vergrößerter Einfederweg. Parallel zur Reduzierung der Querschnittsfläche wird auch die Querschnittsform so angepasst, dass der entstehende Einfederweg analog zur vorgenannten Ausführungsform weiter vergrößert wird.

Optional können alle Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, insbesondere mit einem Einziehen bzw. Ausstellen des Endbereichs des Federdrahtes kombiniert werden.

Optional ist der Federdraht vollständig oder abschnittsweise von einer Hülle umgeben. Diese kann lösbar oder unlösbar auf der Oberfläche des konsolidierten Federdrahtes angeordnet sein. Die Hülle besteht vorzugsweise aus einem Elastomer (bspw. Silikon), thermoplastischen Elastomer (bspw. TPU (Thermoplastisches Polyurethan)) oder einem thermoplastischen Kunststoff material (bspw. PA (Polyamid) oder Teflon). Die Hülle kann als Teil des Herstellungsverfahrens auf dem Federdraht ausgebildet werden oder nachträglich, zum Schutz von dessen Oberfläche, aufgebracht werden.

Da die Tragfähigkeit der Feder im Wesentlichen von den Verstärkungsfasern bestimmt wird, und bei der erfindungsgemäßen Schraubenfeder in allen Ausführungsformen lediglich die Verteilung der Fasern und des Matrixmaterials und nicht der durchgehender Verlauf oder Länge oder Anzahl der Fasern verändert werden, bleibt die Tragfähigkeit der Feder über die gesamte Länge im Wesentlichen konstant.

Die Ausführungsformen der Schraubenfeder sich jedoch in der Querschnittsform der beiden Federenden und/oder in der Querschnittsfläche der beiden Federenden. Damit sind zwar beide Federenden gegenüber dem Federdraht im Mittelteil verformt, jedoch unterschiedlich.

Zur Herstellung von Schraubenfedern aus faserverstärktem Material sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt. So schlägt die US 4,434,121 B vor, die mit Harz getränkte Faserverstärkung in die helixartig umlaufende Nut eines zylinderförmigen Formkerns aufzuwickeln und diesen dann mit einer Form zu umgeben, die eine korrespondierende Nut aufweist. Weiteres Harz des Matrixmaterials soll durch die Nut geleitet werden, um diese auszufüllen. Form und Formkern sollen beheizt werden, um das Harz zu erhärten. Es ist vorgesehen, dass das Matrixmaterial lediglich bis unterhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt wird und die Federenden nach einem Ablängen nochmals erwärmt, und eingezogen oder in die Form einer Schlaufe abgeflacht werden.

Die DE1020121 12937A1 schlägt vor, einen Federdraht herzustellen, indem ein Laminatstrang aus Faserverstärkungsmaterial, das mit aushärtbarem Matrixmaterial getränkt ist, in eine Federgeometrie umgeformt wird. Vor dem Umformen des Laminatstrangs wird ein strangförmiges Vorprodukt gebildet, indem in einem kontinuierlichen Applikationsprozess ein den Laminatstrang umschließender, formbarer Schutzmantel aufgebracht wird. Die Federenden können dabei optional mit Schutzkappen versehen werden, die nach dem Konsolidieren auch Bestandteil der fertigen Feder sein können.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht in seinen Grundzügen auf den aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen. Erfindungswesentlich ist jedoch die abweichende Gestaltung der Federenden.

Das Verfahren sieht vor, dass der Federdraht im unkonsolidierten Zustand auf einen zylindrischen Formkern aufgewickelt wird. Dieser Formkern weist optional eine helixartig um den Formkern verlaufende Nut auf, in die der Federdraht eingelegt wird. Die Faserverstärkung des Federdrahtes ist dabei trocken oder bereits mit Harz getränkt.

Optional ist eine Außenform vorgesehen, die den Formkern mit dem in die Nut eingelegten Federdraht umgibt. Der Formkern und/oder die Form ist beheizbar. Wenn die Faserverstärkung des Federdrahtes noch nicht bzw. nicht ausreichend mit Harz getränkt ist, wird dies nun durch Einleiten von Harz in die Nut durchgeführt.

Durch Beheizen der Form bzw. des Formkernes oder von beiden kann das Harz des Federdrahtes nun vollständig oder teilweise ausgehärtet werden. Bei einer vollständigen Aushärtung erfolgt die Anpassung der Querschnittsform und/oder der Querschnittsfläche der Federenden vor dem Aushärten. Vorzugsweise ist dazu ein spezielles Formwerkzeug der Federenden, das den Übergangsbereich und das Ende des Federdrahtes in die gewünschte Form bringt und dann erst aushärtet (Beheizung) vorgesehen. Dies führt, bei entsprechender Form des Formwerkzeugs zu einer Querschnittsformveränderung und/oder zu einer Reduzierung der Querschnittsfläche unter Beibehaltung aller Faserverläufe aus dem Mittelteil der Feder. Die Änderung der Querschnittsfläche, oder genauer des Inhaltes der Querschnittsfläche erfolgt, indem durch die Form oder durch ein spezielles Formwerkzeug, das an den Enden des unkonsolidierten Federdrahtes angreift, unkonsolidiertes Matrixmaterial aus dem Verstärkungsfasermaterial herausgepresst wird.

Vorzugsweise ist das spezielle Formwerkzeug Teil des Formkernes und/oder der diesen umgebenden Form. So ist es bevorzugt, die Querschnittsflächenänderung bzw. Querschnittsformänderung vom Querschnitt in der Federmitte zwischen den Federenden, den Übergangsbereich und die Querschnittsform/-fläche des Endes des Federdrahtes in einem Verfahrensschritt herzustellen. Diese Vorgehensweise ist jedoch weniger geeignet, wenn die Querschnittsform des Endes des Federdrahtes eine hinterschnittige Ausgestaltung innerhalb der Form bzw. des Kerns beinhaltet.

Eine alternative Vorgehensweise sieht vor, dass bei einer vollständigen Aushärtung die Federenden ausgenommen sind. Diese werden maximal bis über den Gelpunkt erhärtet. Nach dem Entnehmen der Feder aus der Form bzw. dem Entformen vom Formkern werden die Federenden mit einem speziellen Formwerkzeug, bspw. einem Presswerkzeug, dass den Übergangsbereich und den Endbereich des Federdrahtes in die gewünschte Querschnittsform bringt, behandelt. Dazu kann das Werkzeug beheizbar sein. Durch Erwärmen über die Glastemperatur wird der Federdraht erneut plastisch verformbar. Weiteres Erwärmen führt dann zum vollständigen Konsolidieren des Matrixmaterials. Diese Vorgehensweise ist für die Herstellung von Federn nach der ersten Ausführungsform geeignet. In Kombination mit einer vorhergehenden Querschnittsverringerung mittels eines speziellen Formwerkzeugs ist sie auch für eine weitere Ausführungsform anwendbar.

Eine weitere bevorzugte Vorgehensweise ist besonders zur Herstellung der ersten Ausführungsform geeignet. Sie sieht vor, die Faserverstärkung des Federdrahtes mit einem Schlauch zu umhüllen. In diesen Schlauch wird dann Matrixmaterial in unkonsolidiertem Zustand eingeleitet. Anschließend erfolgt eine Vernetzung (bspw. durch Erwärmung) des Matrixmaterials bis über den Gelpunkt des Matrixmaterials. Nunmehr kann der Schlauch entfernt werden oder auf dem vorgeformten Federdraht verbleiben und anschließend Teil der Feder werden. Anschließend kann der Federdraht über die Glasübergangstemperatur erwärmt und in die gewünschte Schraubenform gebracht werden. Dies erfolgt bevorzugt durch Aufwinden auf einen beheizbaren Formkern. In diesem Arbeitsschritt können auch die Federenden umgeformt werden. Dazu können geeignete Formwerkzeuge, z.B. Klemmvorrichtungen, genutzt werden. Durch weiteres Erwärmen wird das Matrixmaterial vollständig ausgehärtet.

Eine weitere alternative Vorgehensweise beinhaltet, dass der Federdraht, genauer gesagt, die Faserverstärkung des Federdrahtes, im unkonsolidierten Zustand abgelängt wird. Anschließend wird die Faserverstärkung des Federdrahtes mit Harz getränkt und an den Enden in Klemmvorrichtungen eingespannt. Diese Klemmvorrichtungen wirken optional als spezielle Formwerkzeuge zur Verringerung der Querschnittsfläche im Endbereich. Anschließend erfolgt das Aufwickeln auf einen zylindrischen Formkern, der optional eine Nut zur Führung des Federdrahtes aufweist. Optional wird der Formkern mit aufgewickeltem Federdraht in eine Form eingelegt, die auch beheizbar sein kann. Die Klemmvorrichtungen umfassen mindestens den Übergangsbereich des Federdrahtes und das Federende. Durch Beheizen des Formkernes und der Klemmvorrichtungen und optional der Form wird das Matrixmaterial ausgehärtet und die Schraubenfeder konsolidiert. Abschließend werden Klemmvorrichtungen und Formkern und optional auch die Form entfernt. Die Klemmvorrichtungen können zweiteilig oder auch mehrteilig ausgeführt werden.

Eine weitere bevorzugte Vorgehensweise sieht vor, dass die mit Harz getränkte Faserverstärkung des Federdrahtes im unkonsolidierten Zustand in einer flexiblen Hülle angeordnet ist. Diese besteht bspw. aus einem thermoplastischen Material oder Silikon. Anschließend wird der unkonsolidierte Federdraht nach einem der vorgenannten Verfahren auf einen beheizbaren Formkern mit optionaler Nut und optionaler Außenform aufgebracht und wie oben dargestellt konsolidiert bzw. teilkonsolidiert. Die Ausführung der Federenden kann ebenfalls nach einer der oben dargestellten Verfahrensweisen erfolgen. Nach dem Konsolideren kann die Hülle als Oberflächenschutz auf der Feder verbleiben oder, falls sie keine Verbindung mit dem Matrixmaterial eingeht (bspw. Teflonhülle oder Silikonhülle) abgezogen werden. Bei Federenden, die eine Verringerung der Querschnittsfläche aufweisen, kann die Hülle optional aufgetrennt und dann entfernt werden. Weitere bevorzugte Vorgehensweisen sehen mehrteilige Hüllen vor, wobei die Hülle im Mittelteil einen konstanten Querschnitt aufweist und für die Übergangs- und Endbereiche jeweils angepasste Hüllen möglich sind. Diese können bspw. konisch in Richtung der Enden ausgeführt sein, um so einer Querschnittsflächenverringerung des Federdrahtes im Endbereich zu folgen.

Optional kann als Umhüllung des Übergangs- und des Endbereichs Schrumpfschlauch eingesetzt werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schraubenfeder enthält mindestens ein Formwerkzeug, das in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist, in welchen ein zu verformender Endbereich oder ein zu verformender Endbereich und ein zu verformender Übergangsbereich des zumindestens in diesen Bereichen unkonsolidierten Federdrahtes einlegbar ist, wobei der Hohlraum die angestrebte Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche des Endbereiches oder des Endbereiches und des Übergangsbereiches abbildet. Damit wird der Endbereich des Federdrahtes oder der Endbereich und der Übergangsbereich des Federdrahtes wie gewünscht und oben beschrieben umgeformt.

Vorzugsweise weist das Formwerkzeug eine Temperiervorrichtung zum Beheizen oder Abkühlen des Formwerkzeuges auf, so dass das Material des Federdrahtes innerhalb des Formwerkzeuges erwärmt und ggf. konsolidiert und/oder wieder abgekühlt werden kann.

Das Formwerkzeug weist vorzugsweise zum leichteren Einlegen der umzuformenden Federdrahtbereiche in den Hohlraum sowie zum leichteren Entformen der umgeformten Federdrahtbereiche eine zwei- oder mehrteilige Bauform auf.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.

Figuren

Fig. 1 a zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer Au sfüh rungsform 100 der erfindungsgemäßen Feder. Das eine Federende weist einen Übergangsbereich B und einen Endbereich E auf. Das andere Federende bleibt bei gleicher Auflagergeometrie unverformt.

Fig. 1 b bis 1 d zeigen schematisch den inneren Aufbau verschiedener Ausführungsformen des die Feder bildenden Federdrahtes. In einer Ausführungsform 10 des Federdrahtes, dargestellt in Fig. 1 b, umhüllt eine Hülle 1 1 , bspw. aus Silikon, mehrere Faserlagen 12, die um einen Kern 13 gewickelt oder geflochten sind. Der Kern 13 besteht ebenfalls aus Fasermaterial, in dem die Fasern unidirektional parallel nebeneinander angeordnet oder miteinander leicht verdrillt vorliegen. Zumindest im konsolidierten Zustand liegt im Bereich der Faserlagen 12 und des Kerns 13 neben den Fasern Matrixmaterial vor. Das Matrixmaterial kann auch bereits im unkonsolidierten Zustand im Federdraht 10 enthalten sein.

In einer anderen Ausführungsform kann der Kern auch nur aus Kunststoff, bspw. Matrixmaterial, bestehen und keine Fasern aufweisen. Darüber hinaus ist die Hülle 1 1 nur optional vorhanden.

So zeigt bspw. die Fig. 1 c eine Ausführungsform 10‘ des Federdrahtes, bei dem keine Hülle vorhanden ist. Darüber hinaus ist auch kein Kern vorhanden, sondern im Inneren des Federdrahtes liegt ein Hohlraum 13‘ vor. Die Faserlagen 12 sind bspw. in Form eines Flechtschlauches ausgebildet.

Fig. 1 d zeigt eine weitere Ausführungsform 10“ des Federdrahtes, bei der die Faserlagen 12 auf einen Schlauchkern 14, der die Form eines hohlen, flexiblen Rohres oder Schlauches hat und aus Kunststoff besteht, aufgebracht und - wiederum optional - mit einer Hülle 1 1 nach außen abgeschlossen sind.

Wenn im Folgenden keine konkreten Aussagen über den Aufbau des Federdrahtes gemacht sind, so kann der Federdraht entsprechend jeder der hier aufgeführten Ausführungsformen ausgebildet sein. Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform 100‘ der erfindungsgemäßen Feder. Hier sind beide Endbereiche verformt und als Endquerschnitt A1 realisiert. Der Übergangsbereich B leitet von der Querschnittsfläche AO in die elliptische Endfläche A1 über.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Federende einer Konstruktion aus dem Stand der Technik. Hier besteht zwischen der vorletzten Windung und der letzten Windung der Abstand q1 .

Fig. 4a bis Fig. 4e zeigen schematisch Federenden der erfindungsgemäßen Konstruktion entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Abstände q2 bis q6 der einzelnen Figuren sind jeweils größer, als der Abstand q1 im Stand der Technik. Es ist also ein verlängerter Federweg durch die erfindungsgemäße Lösung erzielt worden. Die mit eins beginnenden Bezugszeichen verweisen auf die letzte Windung 1 , die mit zwei beginnenden Bezugszeichen auf die vorletzte Windung 2. Die Federdrähte weisen eine Faserverstärkung 15, 25 auf, die in Matrixmaterial 16, 26 eingeschlossen ist. Die konkrete Anordnung der Faserverstärkung in den mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Faserlagen und ggf. in einem mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Kern ist hier zur besseren Veranschaulichung der Verformung vernachlässigt und nicht dargestellt. Die Federdrähte sind jeweils von einer Hülle 1 1 , 21 umgeben. Die Faserverstärkung 25 geht im Übergangsbereich (nicht dargestellt) in die Faserverstärkung 15 über.

In Fig. 4a ist der Endbereich der letzten Windung 1 in eine elliptische Querschnittsform gebracht worden, wobei die kurze Achse der Ellipse, d.h. die Nebenachse, parallel zur Federlängsachse liegt. Der Abstand q2 zur vorletzten Windung 2 ist daher größer, als wenn der kreisförmige Querschnitt beibehalten worden wäre.

In Fig. 4b ist der Endbereich der letzten Windung 1 in eine Querschnittsform gebracht worden, bei der ein Teil des Materials des Federdrahtes in Richtung auf die Längsachse der Feder verschoben ist. Der Flächenschwerpunkt der Querschnittsfläche ist somit radial nach innen verschoben. Der Abstand q3 zur vorletzten Windung 2 ist größer, als wenn der kreisförmige Querschnitt beibehalten worden wäre, da im Mittelbereich des Querschnitts des Federdrahtes eine geringere Höhe desselben erzielt wurde.

In Fig. 4c ist der Endbereich der letzten Windung 1 in eine Querschnittsform gebracht worden, bei der ein Teil des Materials des Federdrahtes in Richtung auf die Längsachse der Feder und ein Teil radial von dieser weg verschoben ist. Es ist dadurch eine nutartige Vertiefung im Federdraht ausgebildet, die den Abstand q4 zur vorletzten Windung 2 vergrößert. In Fig. 4d ist der Endbereich der letzten Windung 1 in eine Querschnittsform gebracht worden, bei der ein Teil des Materials des Federdrahtes in Richtung auf die Längsachse der Feder und ein Teil radial von dieser weg verschoben ist. Es ist dadurch eine nutartige Vertiefung im Federdraht ausgebildet, die den Abstand q5 zur vorletzten Windung 2 vergrößert. Gegenüber der Fig. 4c wurde die Unterseite des Federdrahtes weiter abgeflacht, so dass eine bereitere Auflagefläche des Federdrahtes im Federsitz erzielt wird.

In Fig. 4e ist der Endbereich der letzten Windung 1 in eine Querschnittsform gebracht worden, bei der ein Teil des Materials des Federdrahtes radial von der Längsachse der Feder weg verschoben ist. Der Flächenschwerpunkt der Querschnittsfläche ist somit radial nach außen verschoben. Der Abstand q6 zur vorletzten Windung 2 ist größer, als wenn der kreisförmige Querschnitt beibehalten worden wäre, da im Mittelbereich des Querschnitts des Federdrahtes eine geringere Höhe desselben erzielt wurde.

Die Formen der Endbereiche der letzten Windungen 1 in den Figuren Fig. 4a bis Fig. 4e wurden durch Umformung der Federenden im Zuge der Herstellung erzielt.

In Fig. 5a ist eine Federkonstruktion analog zu der nach Fig. 4b dargestellt. Hier ist jedoch das Federende gegenüber der vorletzten Windung eingezogen (gestrichelte Linie zur Orientierung). Der Abstand q7 ist noch größer als der Abstand q3 aus Fig. 4b.

In Fig. 5b ist eine Federkonstruktion analog zu der nach Fig. 4e dargestellt. Hier ist jedoch das Federende gegenüber der vorletzten Windung ausgestellt (gestrichelte Linie zur Orientierung). Der Abstand q8 ist noch größer als der Abstand q6 aus Fig. 4e.

Fig. 5c zeigt eine weitere Federkonstruktion. Auch hier ist das Federende in seiner Querschnittsform in eine Ellipse verformt, wobei nun jedoch die lange Achse der Ellipse, d.h. die Hauptachse, parallel zur Federlängsachse angeordnet ist. Dabei ist das Federende soweit nach innen zur Federmitte eingezogen, dass das Federende bei Belastung ins Federinnere eintaucht. Um eine Kollision mit der darüberliegenden Windung zu vermeiden, muss ein Mindestabstand q9 zwischen der äußeren Kante der letzten Windung 1 und der inneren Kante der vorletzten Windung 2 vorliegen. Darüber hinaus ist in Fig. 5c ein Federdraht analog zur Ausbildung gemäß Fig. 1 b dargestellt, d.h. der Federdraht enthält einen Kern 13, 23 mit Faserverstärkung, mehrere darum angeordnete Faserlagen 12, 22 und eine äußere Hülle 1 1 , 21 , wobei die mit eins beginnenden Bezugszeichen auf die letzte Windung 1 und die mit zwei beginnenden Bezugszeichen auf die vorletzte Windung 2 verweisen. Wie zu sehen ist, hat sich in der letzten Windung 1 der Federdraht nicht nur äußerlich verformt, sondern auch der Kern 13 hat sich verformt. Die ist jedoch nicht notwendigerweise gegeben: Es kann auch Verformungen des Federendes geben, bei denen der Kern nicht verformt ist.

Fig. 6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Federkonstruktion nach einer Ausführungsform. Auch hier ist die konkrete Anordnung der Faserverstärkung in den mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Faserlagen und ggf. in einem mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Kern zur besseren Veranschaulichung der Verformung vernachlässigt und nicht dargestellt. Der Federdraht weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Fläche dieses kreisförmigen Querschnitts reduziert sich von der vorletzten Windung 2 zum Endbereich der letzten Windung 1 . Dies ist erkennbar daran, dass der Durchmesser d2 des Federdrahtes der vorletzten Windung 2 sich zu einem Durchmesser d1 der letzten Windung 1 reduziert. Der Abstand q10 zwischen letzter Windung und vorletzter Windung des Federdrahtes ist aufgrund des reduzierten Querschnitts des Endbereichs der Feder vergrößert. Die Anzahl der Verstärkungsfasern 15, 25 ist in der vorletzten Windung 2 und der letzten Windung 1 identisch. Durch die Querschnittsreduzierung ist die Dichte der Fasern 15 erhöht und das Matrixmaterial 16 erhält einen geringeren Anteil an der Querschnittsfläche. Der Faservolumengehalt ist somit im Endbereich der Feder erhöht.

Fig. 7 zeigt schematisch Ausschnitte der letzten beiden Windungen einer erfindungsgemäßen Federkonstruktion nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Auch hier ist die konkrete Anordnung der Faserverstärkung in den mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Faserlagen und ggf. in einem mit Bezug auf die Figuren 1 b bis 1 d beschriebenen Kern zur besseren Veranschaulichung der Verformung vernachlässigt und nicht dargestellt. Diese Ausführungsform kombiniert die Anpassung der Querschnittsform entsprechend der Ausführungsform mit der Reduzierung der Querschnittsfläche bei beibehaltenem Faserverstärkungsmaterial entsprechend der weiteren Ausführungsform. Damit ist im Endbereich der Feder sowohl die Querschnittsform gegenüber der Querschnittsform im Mittelteil verändert, als auch die Querschnittsfläche gegenüber der Querschnittsfläche im Mittelteil verringert. Der Abstand q1 1 zwischen letzter Windung und vorletzter Windung des Federdrahtes ist aufgrund der veränderten Form und des reduzierten Querschnitts des Endbereichs der Feder vergrößert.

Die Figuren 8a bis 10e dienen der Veranschaulichung der Formwerkzeuge, mit denen die Federenden verformt werden und stellen verschiedenen Ausführungsformen dieser Formwerkzeuge, teils in Verbindung mit dem zu verformenden Federdraht, dar. Die Figuren 8a bis 8e zeigen ein Beispiel, bei dem eine Feder 100 im Bereich eines ihrer Federenden durch ein erstes Formwerkzeug 210 verformt wird. Das erste Formwerkzeug besteht aus einem Oberteil 21 1 und einem Unterteil 212, wobei das Oberteil 21 1 einen oberen Teil der letzten Windung der Feder 100 und das Unterteil 212 einen unteren Teil der letzten Windung der Feder 100 umschließen. Der obere T eil der letzten Windung ist nach außen, weg von den anderen Windungen der Feder 100 gerichtet, während der untere Teil der letzten Windung der vorletzten Windung zugewandt ist. Das Oberteil 21 1 und das Unterteil 212 weisen jeweils eine Vertiefung 213, 214 auf, in die der Endbereich E und/oder der Übergangsbereich B der Feder 100 eingelegt sind. Die Vertiefungen 213, 214 bilden somit in geschlossenem Zustand des Formwerkzeugs 210 einen Hohlraum, in die der End- und/oder Übergangsbereich E bzw. B des Federdrahts einlegbar ist. Das Federende ist in den Fig. 8b und 8c bereits verformt und weist an seinem Ende eine Querschnittsfläche auf, die gegenüber der Querschnittsfläche im Mittelteil der Feder eine andere Form hat. In Fig. 8b ist ein unterer Teil A1 1 der Querschnittsfläche des Endbereichs der Feder dargestellt, während in Fig. 8c ein oberer Teil A12 der Querschnittsfläche des Endbereichs der Feder zu sehen ist. Das erste Formwerkzeug 210 ist durch seine horizontale Teilung in das Oberteil 21 1 und das Unterteil 212 gut von dem verformten Federende entfernbar.

Die Figuren 9a bis 9e zeigen ein Beispiel, bei dem eine Feder 100 im Bereich eines ihrer Federenden durch ein zweites Formwerkzeug 220 verformt wird. Das zweite Formwerkzeug besteht aus einem Außenteil 221 und einem Innenteil 222, wobei das Außenteil 221 einen äußeren Teil der letzten Windung der Feder 100 und das Innenteil 222 einen inneren Teil der letzten Windung der Feder 100 umschließen. Der äußere Teil der letzten Windung ist nach außen, weg vom Federinneren der Feder 100 gerichtet, während der innere Teil der letzten Windung dem Federinneren und der Federlängsachse zugewandt ist. Das Außenteil 221 und das Innenteil 222 bestehen jeweils aus zwei Teilen 221 a, 221 b bzw. 222a, 222b, wobei der mit„a“ bezeichnete Teil jeweils den Endbereich der Feder aufnimmt, während der mit„b“ bezeichnete Teil jeweils an den Mittelteil der Feder angrenzt. Insbesondere für das Innenteil 222 ist die vertikale Teilung vorteilhaft für ein problemloses Entfernen von der Feder 100. Das Außenteil 221 und das Innenteil 222 weisen jeweils eine Vertiefung 223, 224 auf, in die der Endbereich E und/oder der Übergangsbereich B der Feder 100 eingelegt sind. Das Federende ist bereits verformt und weist an seinem Ende eine Querschnittsfläche auf, die gegenüber der Querschnittsfläche im Mittelteil der Feder eine andere Form hat. In Fig. 9b ist ein innerer Teil A13 der Querschnittsfläche des Endbereichs der Feder dargestellt, während in Fig. 9c ein äußerer Teil A14 der Querschnittsfläche des Endbereichs der Feder zu sehen ist. Dabei ist zu sehen, dass die Querschnittsfläche des Federendes ungleichförmig geformt und das Federende gegenüber der vorletzten Windung nach innen eingezogen ist. Die Figuren 10a bis 10e zeigen ein weiteres Beispiel, bei dem eine Feder 100 im Bereich eines ihrer Federenden durch ein drittes Formwerkzeug 230 verformt wird. Das Formwerkzeug besteht, ähnlich wie beim Formwerkzeug in Fig. 9a bis 9e, aus einem Außenteil 231 und einem Innenteil 232, wobei das Außenteil 231 einen äußeren Teil der letzten Windung der Feder 100 und das Innenteil 232 einen inneren T eil der letzten Windung der Feder 100 umschließen. Das Außenteil 231 und das Innenteil 232 bestehen jeweils aus zwei Teilen 231 a, 231 b bzw. 232a, 232b, wobei der mit„a“ bezeichnete Teil jeweils den Endbereich der Feder aufnimmt, während der mit„b“ bezeichnete Teil jeweils an den Mittelteil der Feder angrenzt. Das Außenteil 231 und das Innenteil 232 weisen jeweils eine Vertiefung 233, 234 auf, in die der Endbereich E und/oder der Übergangsbereich B der Feder 100 eingelegt sind. Darüber hinaus ist in mindestens dem Außenteil 231 oder mindestens dem Innenteil 232 eine Kavität 235, d.h. ein Hohlraum, ausgebildet, der über einen Kanal mit einem kleinen Durchmesser mit der Vertiefung 233 bzw. 234 verbunden ist. In Fig. 10d ist die Kavität 235 für den Außenteil 231 dargestellt. Im Gegensatz zu den anderen Formwerkzeugen dient das Formwerkzeug 230 einer Reduzierung der Querschnittsfläche des Endbereichs der Feder gegenüber der Querschnittsfläche im Mittelteil der Feder. Dies ist bspw. in den Fig. 10b und 10d an den unterschiedlichen Durchmessern der Feder 100 bzw. der Vertiefung 233 am Beginn des Formwerkzeuges 230, d.h. an der Grenze zum Mittelteil der Feder, und am Federende zu sehen. In Fig. 10b ist der innere Teil A13 der Querschnittsfläche im Endbereich der Feder ersichtlich. Das durch die Verringerung der Querschnittsfläche austretende, überschüssige Matrixmaterial gelangt durch den Kanal in die Kavität 235 und wird dort aufgefangen.

Ausführungsbeispiele

In einem Ausführungsbeispiel (Fig. 1 a in Verbindung mit Fig. 1 b) weist die Feder eine Länge h von 180mm auf. Der Durchmesser X beträgt 75mm. Der Federdraht hat dabei in der Federmitte einen kreisförmigen Querschnitt der Fläche AO mit einem Durchmesser von 16mm. Der Federdraht besteht aus Kohlefasern, die im Kern unidirektional der Federdrahtachse F folgend ausgerichtet sind. Der Kern ist von Wickellagen aus Kohlenstofffasern umgeben. Die Lagen aus Kohlenstofffasern sind von einem Schlauch umgeben, so dass die getränkten Fasern während des Herstellungsprozesses eingehüllt sind. Im Mittelteil der Feder beträgt der Abstand q der Windungen voneinander 15mm. An einem ersten Federende, dem unteren in der Figur, bleibt die Querschnittsfläche unverformt und am anderen, zweiten Federende, dem oberen in der Figur, wird die kreisförmige Querschnittsfläche des Federdrahtes über die Länge des Übergangsbereichs B, der hier eine viertel Windung beträgt in die elliptische Querschnittsfläche des Endbereichs E mit dem Flächeneinhalt A1 überführt. Dies erfolgt, indem die Fasern während der Herstellung in einem geeigneten Formwerkzeug, das Übergangs- und Endbereich ausbildet, in die gewünschte Form gedrückt (gepresst) werden. Dabei werden keine Fasern unterbrochen oder beschädigt. Durch den Übergangsbereich erfolgen auch keine abrupten Richtungsänderungen der Fasern, die ansonsten zu Spannungen in der Faserverstärkung und potentiellen Bruchstellen führen könnten. Kennzeichnend ist, dass die Querschnittsfläche A1 des Endbereiches E gleich der Querschnittsfläche AO im Mittelteil der Feder ist. Der Endbereich des Federdrahtes weist eine elliptische Querschnittsfläche auf, bei der die kleine Halbachse der Ellipse parallel zur Längsachse L der Feder verläuft. Aufgrund der elliptischen Verformung des Endbereichs des Federdrahtes am zweiten Federende ist der Abstand qx- der letzten Windung zur vorletzten Windung am zweiten Federende jedoch größer als der Abstand qy der unverformten letzten Windung zur vorletzten Windung am ersten Federende. Der Abstand qx beträgt hier 12mm, während der Abstand qy 7mm beträgt. In Ausführungsformen kann der Abstand qx kleiner als, gleich oder größer als der Abstand q der Windungen im Mittelteil der Feder sein, ist aber immer größer als der Abstand qy.

Im zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) sind die Daten der Feder mit dem nach Fig. 1 identisch. Jedoch zieht sich hier der Übergangsbereich B über eine halbe Windung hin und der Endbereich des Federdrahtes wird erst mit dessen Ende erreicht. Die am Ende des Federdrahtes erreichte Querschnittsfläche A1 ist wieder genauso groß, wie die Querschnittsfläche AO im Mittelteil der Feder.

Bezugszeichenliste

1 letzte Windung der Feder 10, 10‘, 10“ Federdraht

1 1 Hülle der letzten Windung um den Federdraht

12 Faserlagen

13 Kern

13‘ Hohlraum

14 Schlauchkern

15 Verstärkungsfasern der letzten Windung des Federdrahtes

16 Matrixmaterial der letzten Windung des Federdrahtes

2 vorletzte Windung der Feder vor dem Federende

21 Hülle der vorletzten Windung um den Federdraht

25 Verstärkungsfasern der vorletzten Windung des Federdrahtes

26 Matrixmaterial der vorletzten Windung des Federdrahtes 100, 100‘ Schraubenfeder

210, 220, 230 Formwerkzeug

21 1 oberer Teil des Formwerkzeugs

212 unterer T eil des Formwerkzeugs 221 , 231 Außenteil des Formwerkzeugs 222, 232 Innenteil des Formwerkzeugs

213, 214, 223, 224, 233, 234 Vertiefung im Formwerkzeug 235 Kavität im Formwerkzeug

q Abstand zwischen zwei Windungen im Mittelteil der Feder qx, qy, q1 ... q1 1 Abstand zwischen letzter Windung und vorletzter Windung des

Federdrahtes A0 Querschnittsfläche des Federdrahtes im Mittelteil der Feder

A1 Querschnittsfläche des Federdrahtes des Endbereichs des Federdrahtes

A1 1 unterer Teil von A1

A12 oberer Teil von A1

A13 innerer Teil von A1

A14 äußerer T eil von A1

B Übergangsbereich des Federdrahtes (gestrichelter Kasten)

d Durchmesser des Federdrahtes im Mittelteil der Feder

F Federdrahtachse

E Endbereich des Federdrahtes (gestrichelter Kasten)

h Länge der Feder

L Federlängsachse

X Durchmesser der Feder