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Die Erfindung betrifft einen Träger und dessen Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
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Bei Kraftfahrzeugen finden vorrangig auf Biegung belastete Träger Verwendung, die insbesondere als Hohlträger ausgebildet sind. Es handelt sich hierbei beispielsweise um eine A-, B-, C-Säule, einen Stoßfängerquerträger, einen Stirnwandquerträger, einen Dachquerträger, einen Schweller, einen Seitenaufprallschutz, einen Überrollbügel und dergleichen.
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Werden solche Träger auf Biegung belastet, ergibt sich eine Zugseite des Trägers, die bei einer A-Säule eines Cabrios die fahrzeugäußere bzw. obere Seite des Trägers ist, sowie eine Druckseite, die bei einer A-Säule des Cabrios die fahrzeuginnere bzw. eine untere Seite des Trägers ist. Zwischen der Zug- und der Druckseite liegt eine neutrale Phase.
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Zum Stand der Technik sind unterschiedliche Ausführungen von Trägern zur Verwendung bei Fahrzeugen bekannt. Sie weisen auf der Zug- und Druckseite angeordnete, unterschiedlich gestaltete Zug- und Druckprofile auf. Es ist auch bekannt, zwischen einem Zug- und einem Druckprofil ein Verstärkungselement zur Querschnittsstabilisierung des Trägers anzuordnen.
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Zum Abbau einer bestimmten Energiemenge bzw. aufgrund bestimmter gesetzlicher Vorschriften muss ein Biegeträger eine bestimmte Deformation erreichen und dabei ein möglichst hohes Lastniveau erreichen. Dabei bleibt die neutrale Phase in der Länge unverändert, während sich die Zugseite dehnt und die Druckseite gestaucht wird.
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Bei bekannten, biegebelasteten Trägern versagt bei vergleichbaren Festigkeiten, Steifigkeiten und Wandstärken die Druckseite frühzeitig durch Beulen. Dem kann nach dem Stand der Technik durch eine höhere Festigkeit und eine höhere Wandstärke auf der Druckseite entgegengewirkt werden. Der Grundwerkstoff bleibt in der Regel jedoch gleich, sodass die Steifigkeit, demnach der E-Modul des Werkstoffs, unverändert ist. Es entstehen wesentliche plastische Verformungen.
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Aus der
DE 10 2007 032 319 A1 ist ein Biegeträger bekannt, der durch unterschiedliche Auslegung der Zug- und Druckseite einem Beulen bzw. Knicken beim Crash des Kraftfahrzeuges entgegenwirkt.
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Ein Biegeträger ist ferner in der
US 2010/0133877 A1 beschrieben. Bei diesem ist ein erstes Bauteil durch ein schalenförmiges Profil gebildet und es weist ein zweites Bauteil gleichfalls ein schalenförmiges Profil auf. Das zweite Bauteil ist durch zwei jeweils schalenförmig ausgebildete Anteile gebildet, die im Wesentlichen aneinander liegen und aus unterschiedlichem Material bestehen. Die innere Schale ist hierbei biegesteifer ausgebildet als die äußere Schale. Auf der Druckseite ist der Träger steifer gestaltet und weist eine größere Wandstärke auf als auf dessen Zugseite.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Träger zu schaffen, bei dem, bei erhöhter Biegebelastung, eine plastische Verformung und damit ein Beulen oder Knicken vermieden wird, ferner eine besondere Verwendung eines solchen Trägers anzugeben.
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Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass der Träger ein hohles, geschlossenes Trägerprofil aufweist und biegebelastbar ist und auf dessen Zug- und Druckseite unterschiedlich ausgelegt ist, wobei der Träger auf der Zugseite mit einer hohen spezifischen Festigkeit und niedriger spezifischer Steifigkeit ausgelegt ist, und der Träger auf der Druckseite mit höchster spezifischer Festigkeit und höchster spezifischer Steifigkeit ausgelegt ist, wobei, bei Biegebelastung, die Zugseite des Trägers stärker gedehnt wird als die Druckseite gestaucht wird, wobei wesentliche Teile der Zugseite elastisch verformbar sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Träger wird dieser somit auf der Zugseite, bei der es sich bei der A-Säule eines Cabrios um die fahrzeugäußere bzw. obere Seite des Trägers handelt, und der Druckseite, bei der es sich bei der A-Säule des Cabrios um die fahrzeuginnere bzw. untere Seite des Trägers handelt, unterschiedlich ausgelegt. Hierbei werden insbesondere unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt oder eine unterschiedliche Dimensionierung der Zugseite und der Druckseite des Trägers vorgenommen. Optional kann zusätzlich eine Stabilisierungsstruktur, wie zum Beispiel Rippen, Schaum oder Stegblech zwischen Zug- und Druckseite angeordnet sein.
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Dabei ist die Zugseite mit einer hohen Festigkeit, bei im Vergleich zur Druckseite niedriger Steifigkeit, ausgelegt. Die Druckseite ist mit höchster Festigkeit und höchster Steifigkeit ausgelegt. Es ergibt sich insbesondere im Crashfall des Kraftfahrzeuges ein Verformungsverhalten des Trägers, bei dem die Zugseite nicht in dem gleichen Maße gedehnt wird, wie die Druckseite gestaucht wird. Stattdessen dehnt sich die Zugseite infolge der niedrigen Steifigkeit sehr stark, während die Druckseite nur geringfügig gestaucht wird. Dies entlastet die Druckseite, es tritt kein Beulen oder Knicken auf. Damit wird ein vorzeitiges Versagen des Trägers durch Instabilität vermieden.
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Von besonderer Bedeutung ist bei dem erfindungsgemäßen Träger, dass dieser bei Biegebelastung auf dessen Zugseite elastisch verformbar ist. Das ist bei mehrmaliger Belastung des Trägers von Vorteil. Es erfolgt, jeweils nach der Belastung bzw. dem Eindrücken des Trägers, aufgrund der elastischen Verformung von wesentlichen Teilen eine Rückverformung in die ursprüngliche Position.
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Der erfindungsgemäße Träger weist insbesondere ein hohles, geschlossenes Trägerprofil auf. Dies ist besonders geeignet, hohe Biegekräfte aufzunehmen und es lässt sich durch diese Gestaltung ein Leichtbauträger verwirklichen.
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Insbesondere weist der erfindungsgemäße Träger ein Trägerprofil auf, das durch mindestens zwei Bauteile gebildet ist. Durch die Wahl mehrerer Bauteile zur Bildung des Trägerprofils kann die unterschiedliche Auslegung des Trägers unter dem Aspekt dessen Zug- und Druckseite besonders einfach vorgenommen werden. Das eine Trägerprofil wird unter dem Aspekt der Optimierung der Zugseite, das andere Trägerprofil unter dem Aspekt der Optimierung der Druckseite des Trägers ausgelegt. Bei mehreren Trägerprofilen können diese ergänzend unter diesen Aspekten, insbesondere unter dem Aspekt der Verstärkung bzw. Versteifung des Trägers ausgelegt werden.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass bei dem Trägerprofil ein erstes der Bauteile bei Biegebelastung des Trägers vorrangig mit Zugspannungen belastet wird und ein zweites der Bauteile bei Biegebelastung des Trägers vorrangig mit Druckspannungen belastet wird. Weist das Trägerprofil ein drittes Bauteil auf, ist dieses vorzugsweise mit dem ersten Bauteil auf dessen der Innenseite des Trägers zugewandten Seite verbunden und wird bei Biegebelastung des Trägers vorrangig mit Zugspannungen belastet.
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Das erste Bauteil und das zweite Bauteil sind vorzugsweise derart gestaltet, dass diese Flansche aufweisen und im Bereich der Flansche die beiden Bauteile miteinander verbunden sind. Dadurch ergibt sich eine hohe Festigkeit im Verbund dieser beiden Bauteile.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und/oder dritte Bauteil aus einem Werkstoff besteht, dessen Steifigkeit (E-Modul) weniger als halb so groß wie die Steifigkeit des zweiten Bauteils ist, und das erste und/oder dritte Bauteil aus einem Werkstoff besteht, dessen Festigkeit (Rm und Rp0,2) kleiner ist als die Festigkeit des zweiten Bauteils.
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Bei Gestaltung des erfindungsgemäßen Trägers mit im Inneren des Trägers angeordneter rippenförmiger Struktur, die den Trägerquerschnitt stabilisiert, wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn zwischen dem zweiten Bauteil und dem dritten Bauteil die rippenförmige Struktur angeordnet ist. Hierbei kann die rippenförmige Struktur durchaus mit dem dritten Bauteil ein Bauteil bilden.
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Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die rippenförmige Struktur aus faserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff, insbesondere aus langfaserverstärktem Thermoplast LFT, besteht, beispielsweise aus langglasfaserverstärktem Polyamid oder Polypropylen.
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Eine alternative Gestaltung sieht vor, dass die rippenförmige Struktur und das dritte Bauteil aus Leichtmetall, insbesondere aus Magnesium-Guss oder Aluminium-Guss bestehen.
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Gemäß einer weiteren Alternative ist vorgesehen, dass das dritte Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff besteht. Es findet vorzugsweise ein solcher glasfaserverstärkter Kunststoff Verwendung, bei dem die endlosen Glasfasern unidirektional in Profilrichtung oder in Form von Geweben oder Gelegen vorliegen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das dritte Bauteil aus Organoblech (gewebeverstärktem Thermoplast) mit Polyamidmatrix bestehen.
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Das zweite Bauteil besteht vorzugsweise aus Stahlblech, das in einer bevorzugten Ausführungsform aus warmumgeformtem und formgehärtetem Vergütungsstahl besteht, insbesondere aus Vergütungsstahl 22MnB5.
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Das erste Bauteil besteht vorzugsweise aus Stahlblech, das in einer bevorzugten Ausführungsform eine deutlich kleinere Wandstärke und/oder eine deutlich kleinere Festigkeit (Rm und Rp0,2) als das Stahlblech des zweiten Bauteils aufweist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht das erste Bauteil aus einem Aluminiumblech oder aus faserverstärktem Kunststoff.
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Eine vorteilhafte Verbindung von erstem Bauteil und drittem Bauteil ergibt sich, wenn die Bauteile flächig miteinander verklebt sind.
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Das erste Bauteil und das dritte Bauteil bilden insbesondere ein Hybrid-Bauteil. Gegebenenfalls bilden das erste, das dritte Bauteil und die rippenförmige Struktur zum Stabilisieren des Trägerquerschnitts ein Hybrid-Bauteil.
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Die rippenförmige Struktur ist vorzugsweise mit dem zweiten Bauteil verbunden, insbesondere durch Verklebung.
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Der erfindungsgemäße Träger findet vorzugsweise Verwendung bei einem Kraftfahrzeug, dort insbesondere in Form einer A-Säule, B-Säule, C-Säule, D-Säule, eines Dachrahmens, Dachquerträgers, Überrollbügels, Schwellers, Stirnwandträgers, Seitenaufprallschutzes, einer Tür, eines Stoßfängerquerträgers.
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Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Verwendung des Trägers als A-Säule eines Cabrios/offenen Fahrzeugs. Ist im erfindungsgemäßen Sinne der Träger auf dessen Zug- und Druckseite unterschiedlich ausgelegt und zudem auf dessen Zugseite wesentliche Teile elastisch verformbar, ergeben sich gegenüber heutigen A-Säulen, die fast ausschließlich aus Stahl bestehen und die Energie größtenteils durch plastische Verformung abbauen, wesentlich bessere Ergebnisse beim Dachfalltest. Mit diesem Dachfalltest werden reale Überschläge eines Fahrzeugs simuliert. Bei solchen realen Überschlägen kann das Fahrzeug mehrfach auf die gleiche A-Säule fallen. Es handelt sich bei diesem Fahrzeug durchaus um ein offenes Fahrzeug. Die erfindungsgemäße Gestaltung des Trägers bewirkt beim Dachfalltest, insbesondere bei Umsetzung des Trägers als A-Säule, dort insbesondere bei einer A-Säule eines offenen Fahrzeuges, dass beim Dachfalltest ein relativ großer Teil der Energie in eine elastische Verformung der A-Säule umgesetzt wird und diese dadurch wieder zurückfedert, was bei erneutem Fall auf die A-Säule deutliche Vorteile hat. Nach dem Eindrücken der A-Säule springt diese wieder annähernd in ihre ursprüngliche Position zurück.
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Die Erfindung schlägt somit einen Träger und dessen Einsatz bei einem Kraftfahrzeug vor, der im Gegensatz zu bekannten Trägern, bei vergleichbaren Festigkeiten und Steifigkeiten und Wandstärken, bei Einleitung von Biegekräften nicht durch frühzeitiges Beulen bzw. Knicken der Druckseite versagt. Bei dem erfindungsgemäßen Träger wird stattdessen, um einen bestimmten Verformungsweg zu erzielen, die Zugseite nicht in ähnlichem Maße gedehnt wie die Druckseite gestaucht wird. Stattdessen dehnt sich die Zugseite aufgrund der niedrigen Steifigkeit elastisch sehr stark, während die Druckseite nur geringfügig gestaucht wird. Es erfolgt demzufolge eine Entlastung der Druckseite, damit kein Beulen und Knicken.
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In der nachfolgenden Zeichnung sind drei unterschiedliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Trägers veranschaulicht, ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Es zeigt:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Trägers,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Trägers,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel des Trägers,
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4 eine Prinzipdarstellung eines einer Biegebelastung unterworfenen Trägers in Seitenansicht.
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Figurenbeschreibung
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Die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele veranschaulichen jeweils den Träger 10 in einer räumlichen Darstellung, im Wesentlichen in dessen Längsrichtung gesehen, wobei der Träger 10 nur über eine kurze Teillänge dargestellt ist. Der jeweilige Träger 10 weist ein hohles, geschlossenes Trägerprofil auf. Das Trägerprofil ist durch drei Bauteile, nämlich Bauteil 1, Bauteil 2 und Bauteil 3 gebildet. Jedes Bauteil 1 bzw. 2 bzw. 3 weist beispielsweise über die Länge des Trägers 10 einen unveränderlichen Querschnitt, mit einem Querschnitt gemäß der jeweiligen Darstellung auf. Bei dem Träger 10 handelt es sich insbesondere um die A-Säule eines Kraftfahrzeugs.
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4 veranschaulicht den Träger 10 von der Seite gesehen, bei Biegebelastung, somit einer Beanspruchung, die im Crash-Fall bzw. einem Dachfalltest zu verzeichnen ist. Veranschaulicht ist in der 4 die Zugseite 11 und die Druckseite 12 des Trägers 10. Zug- und Druckseite sind auch zu den Ausführungsformen gemäß 1 bis 3 veranschaulicht. Die Zugseite 11 ist hier die fahrzeugäußere bzw. obere Seite des Trägers 10 und die Druckseite die fahrzeuginnere bzw. untere Seite des Trägers 10.
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Bei den drei Ausführungsformen ist der Träger 10 auf der Zugseite 11 mit einer hohen Festigkeit und niedrigen Steifigkeit ausgelegt und auf der Druckseite 12 mit höchster Festigkeit und höchster Steifigkeit ausgelegt, derart, dass der Träger bei Biegebelastung beim Crash- bzw. Dachfalltest auf dessen Zugseite 11 in wesentlichen Teilen elastisch verformt wird und dadurch größtenteils wieder zurückfedert.
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Die in den 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsformen des als Hohlstruktur ausgebildeten Leichtbauträgers 10 bestehen aus dem ersten Bauteil 1 zur vorrangigen Aufnahme der Zugspannungen und dem zweiten Bauteil 2 zur vorrangigen Aufnahme der Druckspannungen sowie dem Bauteil 3, das auf der Innenseite des ersten Bauteils 1 angeordnet und direkt mit dem ersten Bauteil 1 verbunden ist und dadurch vorrangig Zugspannungen aufnimmt. Bauteil 1 und Bauteil 2 sind in Flanschbereichen 1a und 2a direkt miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verklebt oder verschweißt. In den drei Ausführungsbeispielen ist das erste Bauteil 1 als symmetrische Schale mit Boden 1b, den beiden Flanschen 1a und den jeweiligen Flansch 1a mit dem Boden 1b verbindendem Schenkel 1c ausgebildet. Hierbei sind die Flansche 1a parallel zum Boden 1b angeordnet und der jeweilige Schenkel 1c unter einem stumpfen Winkel zum zugeordneten Flansch 1a und stumpfen Winkel zum Boden 1b positioniert. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 1 und 2 ist das zweite Bauteil 2 als ebene Platte mit in den abgewandten Enden der Platte angeordneten Flanschen 2a und einem diese Flansche 2a verbindenden Steg 2b ausgebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 ist das zweite Bauteil 2 entsprechend dem ersten Bauteil 1 ausgebildet, weist somit die beiden Flansche 2a, den Boden 2c und diesen mit den Flanschen 2a verbindende Schenkel 2b auf. Die Bauteile 1 und 2 sind so positioniert, dass der Boden 1b und der Boden 2c auf einander abgewandten Seiten positioniert und in diesem Fall parallel zueinander angeordnet sind. Das dritte Bauteil 3 weist entsprechend dem Boden 1b und den beiden Schenkeln 1c beim ersten Bauteil 1 einen Boden 3a und optional zwei entsprechend bezüglich des Bodens 3a angeordnete Schenkel 3b auf. Der Boden 3a liegt am Boden 1b an und es liegen die Schenkel 3b an den Schenkeln 1c an. Die Schenkel 3b reichen im Bereich ihres dem Boden 3a abgewandten Endes bis zum zweiten Bauteil 2.
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Der Werkstoff X des zweiten Bauteils 2 besitzt eine hohe Festigkeit (Rm und Rp0,2) und hohe Steifigkeit (E-Modul). Mindestens eines der Bauteile 1 und 3 besteht aus einem Werkstoff Y, der, im Vergleich zum Bauteil 2, eine um einen Faktor A veränderte Steifigkeit (E-Modul) und gleichzeitig eine um einen Faktor B veränderte Festigkeit (Rm und Rp0,2) aufweist, wobei A < 0,5 sowie A < B. Durch die hohe (größtenteils) elastische Verlängerung der Zugseite wird die Druckseite bei gleicher Durchbiegung weniger stark gestaucht, sodass die Gefahr von Instabilität (Beulen) vermieden wird, wie es aus der 4 ersichtlich ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 ist zwischen dem zweiten Bauteil 2 und dem dritten Bauteil 3 eine rippenförmige Struktur 4 angeordnet. Diese weist eine sich über die Länge des Trägers 10 erstreckende Längsrippe 4a auf, die die Symmetrieachse bezüglich der Schenkel 1c bzw. 3b bildet. Diese Längsrippe 4a kontaktiert den Boden 3a und endet in Abstand zum zweiten Bauteil 2. Senkrecht zur Längsrippe 4a sind, parallel beabstandet zueinander, eine Vielzahl von Querrippen 4b mit der Längsrippe 4a verbunden. Jede Querrippe 4b kontaktiert einerseits die Schenkel 3b, andererseits den Boden 3a und endet in entsprechendem Abstand wie die Längsrippe 4a bezüglich des zweiten Bauteils 2.
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Die rippenförmige Struktur 4 bildet in diesem Beispiel mit dem dritten Bauteil 3 ein Bauteil. Dieses gebildete Bauteil besteht aus faserverstärktem, thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus langfaserverstärktem Thermoplast LFT, beispielsweise einem langglasfaserverstärktem Polyamid oder Polypropylen.
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Das zweite Bauteil 2 besteht in diesem Beispiel aus Stahlblech, das in einer bevorzugten Ausführungsform aus warmumgeformten und formgehärteten Vergütungsstahl 22MnB5 besteht. Das erste Bauteil 1 besteht aus Stahlblech, das in einer bevorzugten Ausführungsform eine deutlich kleinere Wandstärke und/oder eine deutlich kleinere Festigkeit (Rm und Rp0,2) als das Stahlblech des zweiten Bauteils 2 aufweist. Dieses erste Bauteil 1 kann durchaus auch aus Aluminiumblech oder faserverstärktem Kunststoff bestehen.
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Das erste Bauteil 1 und das dritte Bauteil 3 sind vollflächig miteinander verklebt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 bilden das erste Bauteil 1, das dritte Bauteil 3 und die rippenförmige Struktur 4 ein Hybrid-Bauteil. Die rippenförmige Struktur 4 ist mittels Verklebung mit dem zweiten Bauteil verbunden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 und 3 bilden das erste Bauteil 1 und das dritte Bauteil 3 ein Hybrid-Bauteil.
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Andere bevorzugte Materialzusammensetzungen des Trägers 10 sind im Rahmen der vorbeschriebenen allgemeinen Beschreibung erörtert, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen hierauf Bezug genommen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007032319 A1 [0007]
- US 2010/0133877 A1 [0008]
