Beitrag zur Entwicklung von Achsfedern aus Glasfaser-Kunststoff-Verbund – Methoden und Konzepte

In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie in heutigen PKW die Schraubendruckfeder aus Stahl durch eine Feder aus Faser-Kunststoff-Verbund ersetzt werden kann. Mehrere Federkonzepte wurden analysiert und das Mäanderfederkonzept detailliert ausgearbeitet. Die hierfür benötigten Verfahren zur Dimensionierung wurden entwickelt und experimentelle Untersuchungen zur Validierung und Beschreibung des Langzeitverhaltens durchgeführt. Je eine Beispielanwendung an Vorder- und Hinterachse zeigen ein Potenzial zur Gewichtseinsparung von 60% bzw. 50% gegenüber der Stahlfeder.

Die Anwendung von analytischen und numerischen Methoden erschließt die mechanischen Eigenschaften verschiedener Federkonzepte. Als Bewertungskriterium für einen Konzeptvergleich wird die spezifische elastische Energieaufnahme anhand eines repräsentativen Federelements herangezogen.

Das Mäanderfederkonzept bietet das größte Gewichtspotenzial und wurde zur detaillierten Ausarbeitung ausgewählt. Ein in der vorliegenden Arbeit entwickeltes dynamisches Stabilitätskriterium ermöglicht die Untersuchung der Ausknickeigenschaften in beiden Querrichtungen. Zur experimentellen Untersuchung und Validierung der Berechnungen wurden Musterfedern im Prepreg-Pressverfahren hergestellt. Anhand von statischen Versuchen und Ermüdungsversuchen wurden drei Schädigungsarten nachgewiesen. Zur Setzbeständigkeit des eingesetzten Werkstoffs wurden Versuche an Biegeproben durchgeführt.

Die gewonnenen Erkenntnisse wurden für die Auslegung von zwei Beispielfedern angewendet. Eine Feder wird in ein Hybrid-Leichtbau-Federbein integriert, das verschiedene Leichtbautechnologien in einem System vereint und eine Gewichtseinsparung auf Systemebene von etwa 30% bzw. 1,5 kg pro Federbein ermöglicht.