纤维复合物构件、设备和制造纤维复合物构件的方法与流程

1.本发明涉及一种纤维复合物构件，该纤维复合物构件具有彼此以一间距布置的、被纤维增强的塑料带缠绕的两个内部元件。此外，本发明涉及用于制造这样的纤维复合物构件的一种方法和一种设备。


背景技术：

2.从美国公开文献us 2010/0047613 a1已知一种复合物撑杆，该复合物撑杆包括多个平坦的内部复合物层和两个台阶形的插入件，这些插入件用另外多个平坦的外部复合物层覆盖。从德国公开文献de 10 2005 059 933 a1已知一种纤维复合物构件、尤其拉/压杆，该纤维复合物构件包括：核心元件，该核心元件具有至少一个凹状形成的端侧；其中在该核心元件的至少一个凹状形成的端侧上连接有贯通开口；并且其中该核心元件的各自相反的横向侧或纵向侧以及贯通开口的未被该核心元件界定的侧被纤维复合物元件环状地包围，其中该纤维复合物元件是在垂直于横向侧或纵向侧的方向上编织的纤维复合物元件。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，简化纤维复合物构件的制造，该纤维复合物构件具有彼此以一间距布置的、被纤维增强的塑料带缠绕的两个内部元件。
4.该目的在具有彼此以一间距布置的、被纤维增强的塑料带缠绕的两个内部元件的纤维复合物构件中通过以下方式实现：用第一纤维增强的塑料带缠绕第一内部元件，其中用第二纤维增强的塑料带缠绕第二内部元件，其中交替地用该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带缠绕该第一内部元件和该第二内部元件，使得这些内部元件之间的间距被该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带跨越(
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ckt)。也可以被称为插入件的内部元件例如是由金属构成的套筒。内部元件或插入件主要用于将力引导至纤维复合物构件的纤维复合物中。内部元件或插入件有利地包括例如被实施为通孔的接收部，该接收部在使用纤维复合物构件作为机动车辆的底盘中的连接元件、尤其连杆时用于接纳橡胶轴承。内部元件可以具有几乎任意的形式。内部元件可以被实施为相同的。然而，内部元件也可以被实施为不同的。内部元件可以具有大小相同或不同的直径。在此重要的是，内部元件具有可以用纤维增强的塑料带缠绕的外轮廓。为此目的，内部元件可以被实施为旋转对称的。然而，内部元件也可以具有例如多边形的造型，该多边形的外表面有利地拱起。纤维增强的塑料带例如是由带状的预浸料材料、尤其cfk预浸料材料构成的带子。还可以实现的是，用干燥的纤维缠绕内部元件并且随后在制造过程结束时将树脂注射到额外的模具中。这两种纤维增强的塑料带可以由相同的材料构成。然而在需要时，这两种纤维增强的塑料带也可以由不同的材料构成和/或包括不同的纤维。首先彼此独立地用两种纤维增强的塑料带缠绕这两个内部元件。这尤其提供如下优点：在这两个内部元件与相应所指配的纤维增强的塑料带之间提供稳定的结合。随后，共同用这两种纤维增强的塑料带交替地缠绕已经用相应的纤维增强的塑料带缠绕过的内部元件。在此，可以在这两个内部元件之
间布置中间元件。根据实施方式，中间元件可以保留在纤维复合物构件中。然而，在缠绕时也可以藉由合适的工具以相对于彼此限定的间距保持这两个内部元件。在预浸料材料的缠绕和硬化后，可以随后移除工具、尤其是工具的对应的间距保持件。
5.纤维复合物构件的优选的实施例的特征在于，在这些内部元件之间布置有中间元件，交替地用该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带缠绕该中间元件。中间元件例如是拉挤型材。中间元件有利地与这两个内部元件一起交替地用这两种纤维增强的塑料带缠绕。由此，在纤维复合物构件中可以在这两个内部元件与中间元件之间提供极稳定的结合。
6.纤维复合物构件的另一个优选实施例的特征在于，这些内部元件各自具有尤其旋转对称的、具有旋转轴线的形式。如之前已经描述的，内部元件被实施为旋转对称的，然而不是必须被实施为旋转对称的形式。旋转轴线例如与内部元件中的通孔的纵向轴线重合。旋转轴线有利地可以实现：在用各自所指配的纤维增强的塑料带缠绕内部元件时使内部元件进行限定的旋转。纤维增强的塑料带例如在滚轴上提供，当相应的内部元件围绕其旋转轴线旋转时，纤维增强的塑料带从该滚轴上解卷。因此，可以有利地在合适的工具中自动以各自所指配的纤维增强的塑料带缠绕内部元件。
7.纤维复合物构件的另一个优选实施例的特征在于，这些内部元件各自具有至少一个环绕的凹陷，这些凹陷形成用于这些纤维增强的塑料带的轴向固定部。为了形成环绕的凹陷，内部元件在纵截面上观察例如可以被设计为凹状的。然而，内部元件在纵截面上观察也可以包括具有内直径减小的轴向区段，该轴向区段被两个凸肩限界。环绕的凹陷有利地防止塑料带在缠绕时的轴向偏移。
8.在用于制造上述纤维复合物构件的方法中，上述目的替代性或附加地通过以下方式来实现：使该第一内部元件围绕其旋转轴线旋转，以便用该第一纤维增强的塑料带缠绕该第一内部元件，其中使该第二内部元件围绕其旋转轴线旋转，以便用该第二纤维增强的塑料带缠绕该第二内部元件，随后使该第一内部元件和该第二内部元件共同围绕第三旋转轴线旋转，以便交替地用该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带缠绕该第一内部元件和该第二内部元件，使得这些内部元件之间的间距被该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带跨越。因此，可以有利地以简单的方式方法基本上自动化地制造非常稳定的、具有彼此间隔开的两个内部元件或插入件的纤维复合物构件。
9.该方法的一个优选实施例的特征在于，在这些内部元件之间彼此平行地放置这些纤维增强的塑料带。通过单向的定向提供了稳定的纤维复合物构件，该纤维复合物构件在拉力和压力下都能承受高载荷。
10.该方法的另一个优选实施例的特征在于，在这些内部元件之间以交叉结合的方式放置这些纤维增强的塑料带。在放置纤维增强的塑料带时，可以实现不同的缠绕图案。根据期望的载荷，纤维增强的塑料带可以以相对于彼此不同的角度放置。
11.该方法的另一个优选实施例的特征在于，将在轴向方向上大尺寸的纤维复合物材料在缠绕后在横向于该轴向方向上分成至少两个纤维复合物构件。因此，可以有利地利用一个缠绕过程制造多个纤维复合物构件。划分通过合适的分离工具来执行。
12.在用于制造上述纤维复合物构件的设备中，上述目的替代性或附加地通过用于第一内部元件的第一旋转驱动器和用于第二内部元件的第二旋转驱动器来实现，其中这两个
旋转驱动器被安装在联接载体上，该联接载体能够围绕第三旋转轴线旋转，以便交替地用该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带缠绕该第一内部元件和该第二内部元件，在该第一内部元件与该第二内部元件之间具有一间距。第一旋转驱动器用于使第一内部元件旋转，以使其被第一纤维增强的塑料带缠绕。第二旋转驱动器用于使第二内部元件旋转，以使其被第二纤维增强的塑料带缠绕。纤维增强的塑料带在此有利地从彼此独立的两个滚轴上解卷。在以各自所指配的纤维增强的塑料带的各自期望的层数缠绕这两个内部元件后，这两个内部元件共同围绕第三旋转轴线旋转。在此，这两种纤维增强的塑料带从两个滚轴上解卷，并且交替地放置，以将这两个内部元件相互连接。一旦放置了这两种纤维增强的塑料带的期望的层数，则完成了随后仅还需要硬化的纤维复合物构件。
13.该设备的一个优选实施例的特征在于，该设备包括至少一个挤压辊，该至少一个挤压辊用于形成在这些内部元件之间的这些纤维增强的塑料带的张紧装置。因此，一方面可以增加纤维增强的塑料带与内部元件之间的接触角。此外可以确保：纤维增强的塑料带在缠绕时贴靠内部元件之间的任选的中间元件。
14.如有必要，本发明还涉及一种具有上述纤维复合物构件的机动车辆。纤维复合物构件例如是安装在机动车辆的底盘中的连杆或联接元件。
15.总体上，本发明在此公开下述1、5和9的技术方案，下述2-4、6-8和10为优选技术方案：
16.1.一种纤维复合物构件(10；50)，该纤维复合物构件具有彼此以一间距布置的、被纤维增强的塑料带(11，12)缠绕的两个内部元件(1，2；21，22；51，52)，其特征在于，用第一纤维增强的塑料带(11)缠绕第一内部元件(1；21；51)，其中用第二纤维增强的塑料带(12)缠绕第二内部元件(2；22；52)，其中交替地用该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带(11，12)缠绕该第一内部元件和该第二内部元件(1，2；21，22；51，52)，使得所述内部元件之间的间距被该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带(11，12)跨越。
17.2.根据前述1所述的纤维复合物构件，其特征在于，在所述内部元件(1，2；21，22；51，52)之间布置有中间元件(8；23)，交替地用该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带(11，12)缠绕该中间元件。
18.3.根据前述1-2之一所述的纤维复合物构件，其特征在于，所述内部元件(1，2；21，22；51，52)各自具有尤其旋转对称的、具有旋转轴线(13，14)的形式。
19.4.根据前述3所述的纤维复合物构件，其特征在于，所述内部元件(1，2；21，22；51，52)各自具有至少一个环绕的凹陷(20)，所述凹陷形成用于所述纤维增强的塑料带(11，12)的轴向固定部。
20.5.一种用于制造根据前述3或4所述的纤维复合物构件(10；50)的方法，其特征在于，使第一内部元件(1；21；51)围绕其旋转轴线(13)旋转，以便用第一纤维增强的塑料带(11)缠绕该第一内部元件(1；21；51)，其中使第二内部元件(2；22；52)围绕其旋转轴线(14)旋转，以便用第二纤维增强的塑料带(12)缠绕该第二内部元件(2；22；52)，随后使该第一内部元件和该第二内部元件(1，2；21，22；51，52)共同围绕第三旋转轴线(19)旋转，以便交替地用该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带(11，12)缠绕该第一内部元件和该第二内部元件(1，2；21，22；51，52)，使得所述内部元件(1，2；21，22；51，52)之间的间距被该第一纤维增强的塑料带和该第二纤维增强的塑料带(11，12)跨越。
21.6.根据前述5所述的方法，其特征在于，在所述内部元件(1，2；21，22；51，52)之间彼此平行地放置所述纤维增强的塑料带(11，12)。
22.7.根据前述5或6所述的方法，其特征在于，在所述内部元件(1，2；21，22；51，52)之间以交叉结合(49)的方式放置所述纤维增强的塑料带(11，12)。
23.8.根据前述5至7之一所述的方法，其特征在于，将在轴向方向上大尺寸的纤维复合物构件(50)在缠绕后在横向于该轴向方向上分成至少两个纤维复合物构件。
24.9.一种用于制造根据前述3或4所述的纤维复合物构件(10；50)的设备(40)，其特征在于用于第一内部元件(1)的第一旋转驱动器(41)和用于第二内部元件(2)的第二旋转驱动器(42)，其中这两个旋转驱动器(41，42)被安装在联接载体(17)上，该联接载体能够围绕第三旋转轴线(19)旋转，以便交替地用第一纤维增强的塑料带和第二纤维增强的塑料带(11，12)缠绕该第一内部元件和该第二内部元件(1，2)，在该第一内部元件与该第二内部元件之间具有一间距。
25.10.根据前述9所述的设备，其特征在于，该设备(40)包括至少一个挤压辊(31，32)，该至少一个挤压辊用于形成在所述内部元件(1，2)之间的所述纤维增强的塑料带(11，12)的张紧装置(33)。
附图说明
26.从参照附图来详细描述各个实施例的以下说明中得出本发明的其他优点、特征和细节。在附图中：
27.图1至图4各自以立体图示示出了纤维复合物构件的实施例，该纤维复合物构件具有彼此以一间距布置的、被纤维增强的塑料带缠绕的两个内部元件；
28.图5和图6以不同的视图示出了在缠绕过程结束时图1的纤维复合物构件；
29.图7示出了用于制造纤维复合物构件的设备在缠绕过程开始时的示意图；
30.图8至图10各自以纵截面示出了根据不同的实施变体的纤维复合物构件的内部元件；
31.图11和图12各自以俯视图示出了内部元件的另外的实施变体；
32.图13至图19各自以示意图并且以不同的状态示出了用于制造纤维复合物构件的设备的不同实施方式，以展示用于制造纤维复合物构件的方法；以及
33.图20至图24示出了用于制造纤维复合物构件的设备的实施变体的示意图。
具体实施方式
34.在图1至图4中各自立体地以四个不同的实施例展示了纤维复合物构件10。纤维复合物构件10包括第一内部元件1和第二内部元件2。这两个内部元件1、2也被称为插入件。内部元件或插入件1、2例如被实施为套筒3、4。
35.套筒3、4由金属构成并且(如图2和图4所示)用于接纳橡胶轴承6、7。具有橡胶轴承6、7的内部元件1、2例如用于将纤维复合物构件10紧固在机动车辆的不同位置处。
36.纤维复合物构件10例如是用于装配在机动车辆的底盘中的联接元件或连杆。纤维复合物构件10以第一内部元件1(例如借助于紧固器件，如螺钉)被紧固在机动车辆的轮架上。随后，纤维复合物构件10以第二内部元件2(有利地同样借助于合适的紧固器件，如螺
钉)被紧固在机动车辆的车身上。
37.这两个内部元件1、2以相对于彼此限定的间距布置。在图1和图2中，这两个内部元件1、2之间的中间空间5是空的。在图3和图4中，这两个内部元件1、2之间布置有中间元件8。
38.第一内部元件1用多层第一纤维增强的塑料带11缠绕。第二内部元件2用多层第二纤维增强的塑料带12缠绕。此外，这两个内部元件1、2和中间空间5或中间元件8用第一纤维增强的塑料带11和第二纤维增强的塑料带12缠绕。
39.根据本发明的主要方面，这两个内部元件1、2首先仅各自用指配给其本身的纤维增强的塑料带11、12缠绕。随后，进而交替地用这两种纤维增强的塑料带11、12共同缠绕已被如此缠绕的内部元件1、2。
40.纤维增强的塑料带11、12优选地是由预浸料材料制成的带子。在优选的实施例中，塑料带11、12用碳纤维增强。对应的预浸料材料被称为cfk(cfrp)预浸料材料。
41.纤维增强的塑料带或带子11、12例如是由单向纤维、尤其碳纤维制成的条带，这些条带以基质、尤其环氧树脂预浸渍。如此预浸渍的带或条带围绕内部元件1、2缠绕。
42.在缠绕后，被缠绕的构件优选地经历热处理，以使基质材料、尤其环氧树脂与嵌入其中的纤维硬化。在硬化后，纤维增强的塑料带11、12是固体的并且在内部元件1、2之间形成稳定的连接。
43.内部元件1与2之间的中间空间5可以如图1和图2所示保持中空。然而，在内部元件1与2之间的中间空间5中也可以布置有中间件或中间元件8，如图3、图4所示。中间元件、中间件或中心件8例如是拉挤型材。
44.在图5和图6中展示了在缠绕过程结束时图1的纤维复合物构件10。在图5和图6中，最后在上方留有一层第二纤维增强的塑料带12。在图5和图6中，最后在下方留有一层第一纤维增强的塑料带11。在图6中，标明了第一内部元件1的第一旋转轴线13和第二内部元件2的第二旋转轴线14。
45.在图7中，示意性地标明了设备40，该设备可以有利地用于制造纤维复合物构件。设备40包括联接载体17，在该联接载体上可旋转地安装有两个内部元件1、2。联接载体17在其中心包括旋转驱动器18。借助于旋转驱动器18，联接载体17与可旋转地安装在其上的内部元件1、2围绕第三旋转轴线19可旋转。
46.在图7中通过箭头15标明了第一纤维增强的塑料带11是如何围绕第一内部元件1缠绕的。通过箭头16标明了第二纤维增强的塑料带12是如何围绕第二内部元件2缠绕多层的。通过用这两种纤维增强的塑料带11、12缠绕内部元件1、2确保了与内部元件1、2的稳定的连接。
47.一旦纤维增强的塑料带11、12围绕内部元件1和2缠绕足够的层，则在缠绕过程的第二阶段中，联接载体17可以借助于旋转驱动器18与已缠绕的内部元件1、2围绕第三旋转轴线19旋转，以便建立已预缠绕的内部元件1、2之间的相互连接。进一步的缠绕过程在图14至图16中展示。
48.在图8至图10中各自以纵截面展示了内部元件1的实施变体。图8中的内部元件1具有直圆柱形的造型。在图9和图10中标明了内部元件1可以配备有环绕的凹陷20。由此可以实现纤维增强的塑料带11在缠绕内部元件1时的定中心。此外，防止了纤维增强的塑料带11在缠绕时不期望的侧向偏移。
49.在图11和图12中示出了非旋转对称的内部元件21、22。重要的仅在于内部元件21、22是可被缠绕的。此外有利的是，内部元件21、22可以围绕旋转轴线13、14旋转。尖锐的边缘可以有利地通过倒圆或拱起得到缓和。
50.在图13至图15中示出了在制造纤维复合物构件时不同的方法步骤中的设备40。与图7不同的是，在内部元件1与2之间布置有中间元件23。在图13中看到，内部元件1和2首先彼此独立地用相应所指配的纤维增强的塑料带11、12缠绕。
51.在图14和图15中各自通过箭头25标明，在第二缠绕阶段中是如何用这两种纤维增强的塑料带11、12缠绕图13的中间产物的。借助于合适的旋转设备24，联接载体17与这两个内部元件1、2围绕第三旋转轴线19顺时针旋转。在此，交替地放置纤维增强的塑料带11、12的层。
52.在此，中间元件23有利地用于在缠绕时对内部元件1、2进行压力支持。此外，中间元件23执行过渡区域中的楔形件(zwickel)的功能。
53.在图16中示出，纤维复合物构件借助于设备40也可以在没有中间元件的情况下被缠绕。
54.在图17至图19中示出，与图13至图15不同，中间元件23也可以被实施为腰部收敛的。在图17中标明了内部元件1、2在用纤维增强的塑料带11、12缠绕时被中间元件23间隔开。通过箭头27、28标明了在缠绕内部元件1、2时作用于纤维增强的塑料带11、12的力。
55.在图18中通过箭头29、30标明了内部元件1、2在其缠绕后朝向中间元件23运动以用于压力支持。为此目的，设备40的联接载体17有利地被实施为可调节的。
56.在图19中示出，设备40也可以与挤压辊31、32组合。挤压辊31、32用于形成张紧装置33。张紧装置33包括仅简略示出的用于挤压辊31、32的具有弹簧装置的悬挂件。在图19中通过双箭头34、35标明，挤压辊31、32可以朝向彼此运动，以使纤维增强的塑料带11、12与中间元件23进行接触。
57.通过具有挤压辊31、32的张紧装置33可以改善在用纤维增强的塑料带11、12缠绕时各层的期望的紧凑性。此外，通过张紧和附着的组合可以实现在向内指向或腰部收敛的轮廓上的稳定的放置。
58.图20至图24示意性地展示了设备40的实施例。设备40的联接载体17在图20至图24中被实施为具有三个旋转驱动器41、42、43的框架。旋转驱动器41用于在用纤维增强的塑料带11缠绕时使内部元件1旋转。旋转驱动器42用于在用纤维增强的塑料带12缠绕时使内部元件2旋转。
59.旋转驱动器43可以实现使被实施为框架的联接载体17与内部元件1、2一起围绕第三旋转轴线19旋转。如图20所示，旋转轴线13、14和19彼此平行地延伸。旋转轴线19居中地在旋转轴线13与14之间标明。
60.在图20中通过双箭头45标明，联接载体17可以被实施为可调节的，以便可以实现内部元件1、2期望的朝向彼此并且在必要时远离彼此的运动。内部元件1和2的这种朝向彼此的运动在图18中通过箭头29和30标明。
61.在图20中，纤维增强的塑料带11、12相对较宽地实施。在图21中标明，纤维增强的塑料带11、12也可以被实施成更窄的。
62.在图21中通过双箭头46标明，具有纤维增强的塑料带12的滚轴在图21中也可以向
上和向下移位，以便简化用更窄的纤维增强的塑料带12缠绕内部元件2。
63.在图21中通过箭头47标明，设备40的整个联接载体17也可以移位，以便简化塑料带11、12的放置。
64.在图22中展示，在内部元件1、2之间也可以以交叉结合或交叉联合49的方式放置纤维增强的塑料带11、12。塑料带11、12以交叉结合49的方式的放置通过可移位性46、47来简化。
65.图20至图23中的双箭头45还示出，借助于设备40还可以以简单的方式方法制造不同长度的纤维复合物构件。借助于设备40提供成本有效的设备理念，无需额外的工具并且无需转换(umspannen)。因此可以有效地降低制造成本。此外，可以在制造纤维复合物构件时实现较高的可变性。
66.在图23中展示：对于用纤维增强的塑料带11、12进行缠绕，也可以使用多个卷轴。
67.在图24中展示：在工具40中也可以使用大尺寸的内部元件51、52，这些内部元件例如以交叉结合的方式被纤维增强的塑料带11、12缠绕。由此得到大尺寸的纤维复合物构件50，该纤维复合物构件随后如虚线61至64所示被分成多个较小的纤维复合物构件。