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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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Aus der
EP 1 478 562 B1 ist eine aus Stahl-Hohlprofilen gebildete Tragstruktur für ein Kraftfahrzeug mit einem Längsträger bekannt, der abschnittsweise aus zwei parallel miteinander verbundenen Hohlprofilteilen gebildet ist. Von den beiden Hohlprofilteilen des Längsträgers wird ein Hohlprofilteil in Form eines einfachen Hohlprofils in Richtung des Stoßfängers fortgeführt.
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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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Das Versteifungselement ist zumindest eine langgestreckte Strebe, vorzugsweise ein Strebenkreuz. 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 sind dabei an den Strebenenden vorgesehen, um eine aufprallbedingte Krafteinleitung in das Versteifungselement bzw. eine günstige Kraftweiterleitung zu ermöglichen.
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Zur Erhöhung der Biegesteifigkeit weist das Versteifungselement in seinen Endbereichen eine erhöhte Material- und/oder Profilstärke auf, während es in seinem mittleren Bereich eine geringe Material- und/oder Profilstärke aufweist. Durch die reduzierte Material- und/oder Profilstärke 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 Walzerfahren 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 zusammen 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 Schwuler 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 Lachschweißen 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 bodenseitig 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.