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Die
Erfindung betrifft einen Hilfsrahmen für ein Kraftfahrzeug nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Hilfsrahmen
für Kraftfahrzeuge,
die auch als Achsträger
bezeichnet werden, sind allgemein bekannt und werden regelmäßig mit
der Karosserie über
entsprechende Anbindungsstellen verschraubt. Derartige Hilfsrahmen
können
sowohl im Bereich der Vorderachsen als auch im Bereich der Hinterachsen Anwendung
finden.
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Aus
der
EP 0 941 912 B1 ist
ein gattungsgemäßer, als
Achsträger
ausgebildeter Hilfsrahmen eines Kraftfahrzeugs bekannt. Der Hilfsrahmen
weist zwei einander seitlich gegenüberliegende Hilfsrahmen-Längsträger auf,
zwischen denen ein flächiges Versteifungselement
angeordnet ist. Das Versteifungselement ist durch ein flächiges Aluminiumblech mit
einer Wandstärke
von ca. 3 bis 4 mm gebildet und weist eine im wesentlichen viereckige
Geometrie auf. Das Versteifungselement weist in Fahrtrichtung betrachtet
jeweils an vorderen und hinteren Eckbereichen Anbindungsstellen
zur Anbindung an den beiden seitlichen Hilfsrahmen-Längsträgern auf.
Mit dem Versteifungselement soll ein sogenanntes Schubfeld erzeugt
werden, mittels dem eine beispielsweise aufprallbedingte Kraft,
die in einen der Hilfsrahmen-Längsträger eingeleitet
wird, auf den gegenüberliegenden
Hilfsrahmen-Längsträger übertragen
werden kann. Dabei werden über
die vorderen Anbindungspunkte Aufprallkräfte und/oder im normalen Fahrzeugbetrieb
auftretende Betriebskräfte
in das Versteifungselement eingeleitet. Die Aufprallkräfte werden
dann über
hintere Anbindungspunkte zu der Fahrzeugkarosserie weitergeleitet.
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Weiterhin
ist aus der
DE 196
04 942 C2 ein Fahrwerksträger mit einem kastenförmig aus
einer Oberschale und einer Unterschale zusammengesetzten Trägerhohlprofil
bekannt. Den hochbelasteten Bereichen des Trägerhohlprofils sind separate Verstärkungsmittel
in Form von mehreren, über
die Länge
des Trägerhohlprofils
verteilten Verstärkungsblechen
zugeordnet.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hilfsrahmen mit einem
Versteifungselement bereitzustellen, das eine verbesserte Funktionalität aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 ist das Versteifungselement des Hilfsrahmens
mit unterschiedlicher Profilstärke und/oder
Materialstärke
ausgeführt.
Zusätzliche
separate Verstärkungsbleche
können
daher im Sinne einer vorteiligen Materialausnutzung eingespart werden.
Durch die Variation der Profilstärke
und/oder der Materialstärke
werden kritische Stellen des Versteifungselements des Hilfsrahmens
daher gezielt und materialsparend verstärkt.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Material- und/oder Profilstärke in den
kraftbeanspruchten Bereichen des Versteifungselements erhöht ist,
um etwa ein vorzeitiges Ausknicken des Versteifungselements im Kollisionsfall
zu verhindern.
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Das
Versteifungselement kann montagetechnisch vorteilhaft Anbindungsstellen
aufweisen, etwa Schraubhülsen,
durch die Befestigungsschrauben geführt sind, die am Hilfsrahmen
verschraubt sind. Das Versteifungselement kann dabei vorteilig in Fahrtrichtung
zwei gegenüberliegende
vordere Anbindungsstellen aufweisen, die jeweils an den seitlichen
Hilfsrahmen-Längsträgern montiert
sind. Außerdem
kann es zwei gegenüberliegende
hintere Anbindungsstellen aufweisen, die an den hinteren Bereichen
der Hilfsrahmen-Längsträger montiert
sind. Die vorderen und hinteren Anbindungsstellen sind einerseits
Lasteinleitungspunkte, über
die von den Antriebsrädern
erzeugte Querkräfte
in das Versteifungselement eingeleitet werden. Andererseits können im Kollisionsfall
Aufprallkräfte über die
vorderen Anbindungsstellen in das Verstärkungselement eingeleitet werden
und über
dessen hintere Anbindungspunkte zur Karosserie weitergeleitet werden.
Daher ist es von Vorteil, wenn die Material- und/oder Profilstärke des
Versteifungselements gerade im Bereich seiner Anbindungsstellen
erhöht
ist, um dort die Steifigkeit gegenüber einem Ausknicken bzw. die
Anbindungssteifigkeit zu steigern.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Versteifungselement zumindest eine
langgestreckte Strebe, vorzugsweise ein Strebenkreuz ist. Dadurch lässt sich
zwischen den Hilfsrahmen-Längsträgern eine
fachwerkartige Versteifungsstruktur ausführen, mit der eine insgesamt
vorteilhafte Versteifung der Fahrzeugkarosserie erzielbar ist. Die
Anbindungsstellen zur Befestigung an den Hilfsrahmen-Längsträgern können dabei
an den Strebenenden vorgesehen sein, um eine aufprallbedingte Krafteinleitung
in das Versteifungselement bzw. eine günstige Kraftweiterleitung zu
ermöglichen.
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Zur
Erhöhung
der Biegesteifigkeit des Versteifungselements ist es günstig, wenn
es in seinen Endbereichen eine erhöhte Material- und/oder Profilstärke aufweist,
während
es in seinem mittleren Bereich eine geringe Material- und/oder Profilstärke aufweist.
Durch die reduzierte Material- und/oder Profil stärke ist im Mittelbereich des
Versteifungselements vorteilhaft zusätzlicher Bauraum für beispielsweise das
von dem Hilfsrahmen getragene Antriebsaggregat gewonnen. Demgegenüber ist
durch die erhöhte Material-
und/oder Profilstärke
in den Endbereichen des Versteifungselements insgesamt ein formstabiles
Versteifungselement bereitgestellt.
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Zur
weiteren Steigerung der Formstabilität kann das Versteifungselement
als ein Hohlprofilteil ausgebildet sein. Fertigungstechnisch bevorzugt
ist es dabei, wenn das Versteifungselement aus zumindest einer Oberschale
und/oder einer Unterschale mit z. B. einem offenen U-Profil besteht,
das im Vergleich zu einem Flachprofilteil eine gesteigerte Steifigkeit
aufweist. Zur weiteren Erhöhung
der Steifigkeit können
die Oberschale und die Unterschale schachtelartig ineinander gesteckt
werden, wodurch in einfacher Weise ein formstabiles Hohlprofilteil
mit geschlossenem Querschnitt bereitstellbar ist.
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Vorteilhaft
kann das Versteifungselement zur Änderung seiner Materialstärke mit
einer sich ändernden
Wandstärke
ausgeführt
sein, so dass an kritischen Stellen des Versteifungselements dessen Wandstärke erhöht ist,
während
zur Gewichtseinsparung an weniger belasteten Stellen des Versteifungselements
die Wandstärke
reduziert ist, ohne das Steifigkeitsverhalten des Versteifungselements
zu beeinträchtigen.
Alternativ oder zusätzlich
kann die Profilstärke
des Versteifungselements dadurch geändert werden, dass das Versteifungselement
mit unterschiedlicher Höhe
ausgeführt
ist. So kann beispielhaft ein Strebenkreuz als Versteifungselement
an seinen Kreuzarmenden mit einer gesteigerten Bauhöhe ausgeführt sein,
während
im weniger belasteten mittleren Kreuzungsbereich die Bauhöhe des Strebenkreuzes
reduziert ist. Somit ist zusätzlicher Bauraum
ohne Beeinträchtigung
der Steifigkeit des Versteifungselements zur Verfügung gestellt.
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Die
Ausführung
des Versteifungselements mit unterschiedlicher Wandstärke kann
folgendermaßen
bewerkstelligt sein: Zunächst
werden unterschiedlich dicke Blechzuschnitte als sogenannte Tailored
Blanks einer Schweißanlage
zugeführt,
die beispielsweise eine durch Laserstrahl- und Quetschnahtschweißen maßgeschneiderte
Bauteilplatine fertigt. In der Bauteilplatine sind die Verstärkungsbereiche
aus den dickeren Blechzuschnitten eingeschweißt. Die Bauteilplatine wird
anschließend
in einem Tiefziehverfahren zu einer Oberschale oder Unterschale
des Versteifungselements geformt.
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Alternativ
hierzu kann die Bauteilplatine in einem Walzverfahren mit unterschiedlicher
Wandstärke
ausgeführt
werden. In diesem Fall ist die Bauteilplatine materialeinheitlich
und einstückig
ohne Schweißverbindungen
als eine sogenannte Tailored Rolled Blank hergestellt.
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Nachfolgend
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der beigefügten
Figuren beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 in
einer grob schematischen Seitenansicht einen Vorderwagenbereich
einer Fahrzeugkarosserie mit montiertem Hilfsrahmen;
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2 in
einer Explosionsdarstellung den Hilfsrahmen mit einem Versteifungselement;
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3 eine
vergrößerte Seitenschnittansicht entlang
der Linie I-I;
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4 in
einer Seitenschnittdarstellung entlang der Linie II-II eine Diagonalstrebe
des in der 2 gezeigten Strebenkreuzes;
und
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5 eine
Bauteilplatine zur Formung des Strebenkreuzes.
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In
der 1 ist eine Tragstruktur einer Fahrzeugkarosserie
für ein
Kraftfahrzeug im Vorderwagenbereich mit strichpunktierten Linien
angedeutet. Die Tragstruktur der Fahrzeugkarosserie weist jeweils
eine Kotflügelbank 1 sowie
zwei, sich auf gegenüberliegenden
Fahrzeugseiten in Fahrzeuglängsrichtung
erstreckende Längsträger 3 auf.
Die Kotflügelbank 1 ist
im Bereich oberhalb der Radkästen
an der A-Säule 5 angebunden.
Der Längsträger 3 ist
bodenseitig in einem Knotenpunkt 7 mit der A-Säule 5 zusammengeführt. Im
Bereich des Knotenpunkts 7 sind die jeweiligen seitlichen
Schweller 9 einer nicht dargestellten Fahrgastzelle angebunden.
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Bei
einer Fahrzeugkollision entstehende Aufprallkräfte F werden von der Kotflügelbank 1 und
von den Karosserielängsträgern 3 aufgenommen.
In diesem Fall bildet die Kotflügelbank 1 eine
erste obere Lastebene und die Karosserielängsträger 3 eine zweite
mittlere Lastebene. Eine dritte untere Lastebene ist durch einen
Hilfsrahmen 11 gebildet, der an die Karosserie-Längsträger 3 montiert
ist.
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Gemäß der 1 weist
der Hilfsrahmen 11 jeweils seitliche vordere Knotenelemente 13 auf,
die hier als kastenförmige
steife Gussknoten mit fachwerkartigen Streben gebildet sind. Der
Gussknoten 13 verbindet gemäß der 2 Hilfsrahmen-Längsträger 15 mit
einem frontseitigen Hilfsrahmen-Querträger 17. Der Gussknoten 13 weist
gemäß der 1 oberseitig
Schraubstellen 19 auf, über
die er mittels strichpunktiert angedeuteter Schraubverbindungen 21 am
Längsträger 3 befestigt
ist.
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Zur
Aufnahme von bei einer Fahrzeugkollision wirkenden Aufprallkräften sind
hier beispielhaft an den vorderen Gussknoten 13 des Hilfsrahmens 11 Vorbau-Längsträger 23 geschraubt.
Die Vorbau-Längsträger 23 erstrecken
sich zu sammen mit den karosserieseitigen Längsträgern 3 und der Kotflügelbank 1 bis
zur Fahrzeugfrontseite 25 zur Aufnahme von, bei einer Fahrzeugfrontalkollision
wirkenden Aufprallkräften.
Alternativ hierzu können
in ähnlichen
Hilfsrahmenkonstruktionen auf derartige Vorbau-Längsträger 23 verzichtet
werden.
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Gemäß den 1 und 2 sind
an den Unterseiten der vorderen Gussknoten 13 des Hilfsrahmens 11 jeweils
eine Lenkungsgasse 27 und eine vordere Lenkerkonsole 29 integriert.
In der Lenkungsgasse 27 der Gussknoten 13 ist
in bekannter Weise ein nicht dargestelltes Lenkgetriebe geführt, während in
der vorderen Lenkerkonsole 29 ein nicht dargestellter Querlenker
gehaltert ist. Die vordere Lenkerkonsole 29 ist dabei schalenförmig mit
einem nach unten offenen Querschnitt gestaltet. Oberhalb der vorderen
Lenkerkonsole 29 befindet sich ein Anbindungspunkt 31 für den Hilfsrahmen-Längsträger 15.
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Wie
insbesondere aus den 1 und 2 ersichtlich
ist, weist der Hilfsrahmen 11 neben den frontseitigen Gussknoten 13 auch
rückseitige
Gussknoten 33 auf. Die Gussknoten 33 verbinden
die Hilfsrahmen-Längsträger 15 mit
dem bodenseitigen Knotenpunkt 7 der A-Säule 5. Im Kollisionsfall
eingeleitete Aufprallkräfte
werden somit vom Hilfsrahmen 11 über den bodenseitigen Knotenpunkt 7 weiter
in den Schweller 9 der Fahrgastzelle geleitet. Am rückseitigen
Gussknoten 33 des Hilfsrahmens 11 ist darüber hinaus
eine hintere Lenkerkonsole 35 integral geformt, die einen
nicht dargestellten Querlenker haltert.
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Gemäß der 1 sind
die Hilfsrahmen-Längsträger 15 um
einen Anstellwinkel geringfügig
in einer Fahrzeughochachsenrichtung nach oben in der Fahrtrichtung
geneigt. Unterhalb des Hilfsrahmen-Längsträgers 15 erstreckt
sich horizontal ein Strebenkreuz als ein Versteifungselement 38. Diese
ist mit seinen vorderen Kreuzarmenden am vorderen Gussknoten 13 an
einer Seitenwand 39 der vorderen Lenkerkonsole 29 abgestützt. Mit
ihren hinteren Kreuzarmenden ist das Strebenkreuz 38 am rückseitigen
Gussknoten 33 des Hilfsrahmens 11 abgestützt.
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Wie
aus der Explosionsdarstellung der 2 hervorgeht,
weist das Strebenkreuz 38 Diagonalstreben 37 auf,
die sich an einem Kreuzmittelbereich 43 kreuzen. Die vorderen
Kreuzarm-Enden sind über eine
Querstrebe 39 miteinander verbunden. Jedes der Kreuzarmenden
weist als Anbindungsstellen die Schraublöcher 47 auf. Über die
Schraublöcher 47 ist das
Strebenkreuz 38 bodenseitig in der Fahrzeughochachsenrichtung
von unten mit entsprechenden Befestigungskonsolen 49 der
vorderen und hinteren Gussknoten 13, 33 des Hilfsrahmens 11 verschraubbar.
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Wie
bereits anhand der 1 erläutert, bilden die Kotflügelbank 1 und
die Längsträger 3 jeweils eine
erste, obere Lastebene und eine zweite, mittlere Lastebene, in der
im Crashfall die Lastpfade I und II verlaufen. Über die Lastpfade I und II
werden die Aufprallkräfte
F zur A-Säule 5 und
weiter in den Schweller 9 der Fahrgastzelle bzw. in Richtung
des Dachrahmens geleitet. Die hilfsrahmenseitigen Vorbau-Längsträger 23 bilden
in einer dritten, unteren Lastebene einen weiteren Lastpfad III.
Der Lastpfad III leitet die Aufprallkräfte F in die vorderen Gussknoten 13 des
Hilfsrahmens 11. Der so in den Gussknoten 13 eingeleitete
Kraftfluss wird auf den Hilfsrahmen-Längsträger 15 und das Strebenkreuz 38 aufgeteilt,
die gemäß der 1 Unterlastpfade
III1 und III2 bilden.
Die Hilfsrahmen-Längsträger 15 und
das Strebenkreuz 38 sind am hinteren Gussknoten 33 wieder
zusammengeführt, über den
der Kraftfluss in den Schweller 9 geleitet wird.
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Dabei
weist das Strebenkreuz 38 im Profil einen derartigen Querschnitt
auf, dass es als ein Knickteil einen Nebenlastpfad bildet, während der
Hilfsrahmen-Längsträger 15 der
Hauptlastpfad ist.
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Erfindungsgemäß ist das
Strebenkreuz 38 nicht aus Einzelstreben aufgebaut, die über entsprechende
Einzelknotenteile miteinander verbunden sind. Vielmehr ist das Strebenkreuz
als eine einschalige oder zweischalige Konstruktion im Tiefziehverfahren
hergestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Strebenkreuz 38 eine
zweischalige Konstruktion mit einer Blech-Oberschale 51 und
einer Blech-Unterschale 53. Die Streben 37 und 39 sind
daher fertigungstechnisch vorteilhaft einstückig und materialeinheitlich
in der Oberschale 51 und der Unterschale 53 ohne
zusätzliche
Knotenteile integriert. Arbeitsschritte zur Herstellung von Einzelstreben
und Einzelknotenteile sowie zu deren Zusammenbau können daher
wegfallen.
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Wie
aus der Querschnittsdarstellung der 3 hervorgeht,
sind die Diagonalstreben 37 sowie die Querstrebe 39 des
Strebenkreuzes 38 in den Ober- und Unterschalen 51, 53 im
Tiefziehverfahren durch nach unten bzw. oben offene, sich rinnenförmig erstreckende
U-Profile ausgeführt.
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Die
Unterschale 53 ist dabei mit ihren Profilschenkeln 54 schachtelartig
in die Oberschale 51 eingesetzt. Beispielhaft können die
beiden Schalen 51, 53 durch Kleben oder Lochschweißen an den überlappten
Profilschenkeln 54 der Schalen verbunden sein. Durch die
in Hochrichtung hochkant angeordneten, zueinander überlappten
Profilschenkel 54 ergibt sich vorteilig in der Querrichtung
x eine Doppelwandstruktur. Die Doppelwandstruktur bewirkt eine erhöhte Steifigkeit
gegenüber
einem Ausknicken um die Querachse x.
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In
der 4 ist die Diagonalstrebe 37 des Strebenkreuzes 38 im
Längsschnitt
gezeigt. Demzufolge sind die Oberschale 51 und die Unterschale 53 schachtelartig
ineinander gesetzt, wie es anhand der 3 erläutert ist.
An den beiden Strebenenden befinden sich die Anbindungsstellen 47 in
Form von Schraubhülsen,
die sich senkrecht zwischen der Unterschale 53 und der
Oberschale erstrecken. Bei der Montage des Strebenkreuzes 38 werden
bodensei tig Befestigungsschrauben durch die Schraubhülsen 47 geführt und
mit den Befestigungskonsolen 49 des Hilfsrahmens verschraubt.
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Wie
der 4 zu entnehmen ist, ist die Diagonalstrebe 37 in
ihrer Längsrichtung
mit unterschiedlichen Höhen
hmin, hmax ausgeführt, so
dass sich die Profilstärke
der Diagonalstrebe 37 in der Längsrichtung ändert. An
den beiden Strebenenden ist demzufolge die Diagonalstrebe 37 mit
einer größeren Strebenhöhe hmax ausgeführt als in der Strebenkreuzmitte 43 mit
einer Strebenhöhe
hmin. Beispielhaft kann hmin bei
ca. 10 mm und hmax bei ca. 30 mm liegen.
Somit ist einerseits durch die gesteigerte Profilstärke an den
Strebenenden eine maximale Anbindsteifigkeit des Strebenkreuzes 38 erzielt.
Gleichzeitig wird durch die reduzierte Strebenhöhe hmin in der
Strebenkreuzmitte 43 das Gewicht des Strebenkreuzes 38 reduziert
und zusätzlicher
Bauraum oberhalb des Strebenkreuzes 38 gewonnen, ohne dass die
Gesamtsteifigkeit des Strebenkreuzes 38 wesentlich beeinträchtigt ist.
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Um
die Anbindsteifigkeit des Strebenkreuzes 38 zu erhöhen, kann
zusätzlich
oder alternativ die Änderung
der Profilstärke
des Strebenkreuzes 38 auch durch eine sich ändernde
Materialstärke
bewerkstelligt sein, wie es in der 5 gezeigt
ist. Gemäß der 5 ist
beispielhaft eine Bauteilplatine 57 mit noch flachem Profil
gezeigt. Die Bauteilplatine 57 wird in einem darauf folgenden
Herstellungsschritt zu einer Oberschale oder Unterschale 51, 53 des
Strebenkreuzes 38 tiefgezogen. Die Bauteilplatine 57 besteht
aus mehreren Blechzuschnitten 58, 59, 60, 61, 62 unterschiedlicher
Materialstärke
s1 bis s5, die als Tailored
Blanks zusammengeschweißt
sind. Die Schweißnähte 63 kennzeichnen
den Übergang
der verschiedenen Blechzuschnitte. Zur Verstärkung der Kreuzarmenden des
Strebenkreuzes sind hier beispielhaft die äußeren Blechzuschnitte 58 und 62 mit einer
Materialstärke
s1 und s5 von 2
mm, die Blechzuschnitte 59 und 61 mit einer Materialstärke s2 und s4 von 1,5
mm, und der mittlere Blechzuschnitt 60 mit einer Materialstärke s3 von 1 mm ausgebildet.