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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, aufweisend ein erstes, hohles Element aus Faserverbundwerkstoff, z. B. einen Motorträger, und ein zweites in dem Hohlkörper längsverschiebliches Element, z. B. eine sog. Crashbox.
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Für Aufprall- oder Crashstrukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) in Personenkraftwagen werden heute überwiegend röhrenförmige Träger mit prismatischem (z. B. rechteckigem) oder rundem Profil verwendet, in welche eine sog. Crashbox eingesteckt ist. Die Crashbox ist an ihrem anderen Ende mit einem Stoßfänger verbunden. Beim frontalen Aufprall dient zunächst der Stoßfänger dann die Crashbox als Energieabsorber. Ist ihr Energieaufnahmevermögen erschöpft und die kinetische Energie noch nicht vollständig abgebaut, prallen der deformierte/zerstörte Stoßfänger bzw. Chrashbox auf den Motorträger. Dadurch wird ein Versagen am Motorträger eingeleitet. Besteht der Träger aus CFK, folgt das Versagen dem sog. „Crushing”. Beim Versagensmechanismus ”Crushing” erfolgt die vollständige Desintegration (Pulverisierung) des Trägers vorrangig im Sprödbruch. Eine weitere Form des Crushings ist die definierte Umlenkung des CFK-Materials um 180° direkt an der Aufprallfläche. Dabei kommt zum Abbau der kinetischen Energie ein Faserbruchmechanismus in Verbindung mit Reibung zur Wirkung. Diese beiden Versagensmechanismen funktionieren effektiv bei frontalem Aufprall, bei welchem die Kraft auf den Träger senkrecht zu einem Trägerquerschnitt steht. Unter Einfluss von Querkräften, wo Kraftanteile ungleich der Richtung der Flächennormalen der Trägerquerschnittsfläche auftreten, versagen Strukturen, die auf diese Versagensmechanismen ausgelegt sind, weitgehend unkontrolliert und katastrophal, z. B. durch Einknicken.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere einen verbesserten Aufprallschutz für Insassen von Fahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeug, aufweisend ein erstes, hohles Element aus Faserverbundwerkstoff, ein zweites, in dem hohlen Element längsverschiebliches Element und mindestens ein drittes Element, welches durch ein zugehöriges Loch einer Wand des erstens Elements geführt ist, wobei das mindestens eine dritte Element in einer Bahn des zweiten Elements angeordnet ist und eine höhere Festigkeit, insbesondere Bruchfestigkeit, aufweist als das erste Element.
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Dieser Aufbau weist den Vorteil auf, dass bei einem Einschieben des zweiten Elements in das erste Element, z. B. im Fall eines Frontalaufpralls, das zweite Elements gegen das mindestens eine dritte Element stößt und es mitnimmt. Da das dritte Element eine höhere Bruchfestigkeit aufweist als das erste Element, wird es dabei nicht zerstört, sondern reißt die Wand des ersten Elements auf, wodurch eine hohe Menge an Energie absorbiert wird. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass ein Ort der Krafteinleitung durch die Lage des Lochs und des dritten Elements gut definierbar ist. Auch ist eine Kraftübertragung von dem dritten Element auf das erste Element quantitativ einfach einstellbar, z. B. über eine Größe, Form und Lage des dritten Elements oder des zugehörigen Lochs als auch über eine Zahl der dritten Elemente. Darüber hinaus ist es nun auch bei einem seitlichen, bzw. nicht-frontalen Aufprall möglich, die Kraft zumindest zu einem erheblichen Teil in Längsrichtung des ersten Elements zu richten, so dass auch dann noch eine große Menge an Energie absorbiert werden kann. Erreicht wird also eine Entkopplung des Versagensmodus von, dem Angriffswinkel der äußeren Kraft im Fall eines Aufpralls. Beim ersten Element ist die Auslegung auf Querkraft damit weitestgehend von der Auslegung auf Axialkraft entkoppelt.
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Die ersten bis dritten Elemente können insbesondere zumindest einen Teil einer Crashstruktur des Fahrzeugs darstellen.
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Das erste Element kann insbesondere ein Gleitlager für das zweite Element darstellen.
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In einem (normalen) Ausgangszustand, also nicht in einem Aufprallfall, mag das zweite Element gänzlich außerhalb des ersten Elements angeordnet sein oder mag teilweise in das erste Element eingesteckt sein.
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Die Art des Faserverbundwerkstoffs ist grundsätzlich nicht beschränkt und mag insbesondere kohlenstoffverstärkten oder glasfaserverstärkten Kunststoff aufweisen oder daraus bestehen.
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Das dritte Element mag in dem zugehörigen Loch ohne bzw. mit praktisch vernachlässigbarem Lochleibungsdruck befestigt sein, so dass im Aufprallfall eine durch das zweite Element ausgeübte Kraft unmittelbar auf das erste Element übertragen wird. Alternativ mag das dritte Element in dem zugehörigen Loch mit einem vorbestimmten, nicht vernachlässigbaren Lochleibungsdruck befestigt sein.
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In beiden Fällen kann der zugehörige Versagensmodus als ein Versagen auf Lochleibung angesehen werden, das durch das dritte Element, welches durch das erste Element gezogen wird, initiiert wird.
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Die Bahn des zweiten Elements kann insbesondere als sein Pfad in dem ersten Element im Aufprallfall verstanden werden. Die Bahn kann auch als Pfad o. ä. bezeichnet werden. Die Bahn mag insbesondere eine lineare Bahn in Bewegungsrichtung des zweiten Elements darstellen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass mindestens ein drittes Element (zumindest im Bereich der Wand des ersten Elements) einen runden Querschnitt aufweist. Aufgrund der runden Form ist der Versagensmodus bzw. der Energieabbau von einem Kraftangriffswinkel unabhängig, das dritte Element wird immer zur Energieabsorption durch das Laminat gezogen. Dabei ist ein zumindest in Bewegungsrichtung quasi isotroper Aufbau des Verbundwerkstoffs vorteilhaft.
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Insbesondere für den Fall eines runden Querschnitts besteht ein Zusammenhang für das von dem dritten Element ausgeübte Kraftniveau F, welches proportional zu einem Durchmesser D (zumindest im Bereich der Wand des ersten Elements) des dritten Elements ist, also F ~ D. Analytisch kann ein maximales Kraftniveau Fu als Fu = RL·D·t mit RL einer maximal erreichbaren Lochleibungsfestigkeit, D dem Durchmesser und t einer Wandstärke der Wand des ersten Elements ausgedrückt werden.
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Jedoch ist die Querschnittsform des dritten Elements nicht auf eine runde Form beschränkt und mag z. B. auch oval, elliptisch, mehreckig, konkav, konvex, freigeformt usw. sein.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass mindestens ein drittes Element als ein von außen in die Wand des ersten Elements eingesetzter Bolzen ausgebildet ist. Dieser ist besonders einfach montierbar und zuverlässig nutzbar. Besonders bevorzugt wird ein Bolzen mit einem runden Querschnitt. Der Bolzen mag insbesondere auch als eine Schraube ausgestaltet sein.
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Es ist eine alternative oder zusätzliche Ausgestaltung, dass mindestens ein drittes Element eine durch das erste Element geführte Stange umfasst. Die Stange ist an zwei Positionen durch die Wand geführt und weist den Vorteil auf, dass sie mit einem geringen Montageaufwand eine hohe Energieabsorption ermöglicht.
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Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass das erste Element mehrere dritte Elemente aufweist, welche in Bezug auf die Bahn des zweiten Elements nebeneinander oder versetzt angeordnet sind. Dadurch kann die Wand an mehreren Stellen zur Bewegungsrichtung des zweiten Elements bzw. zur Längsrichtung des ersten Elements parallel aufgerissen werden, was einen besonders hohen Energieübertrag ergibt. Die zweiten Elemente können in Bewegungsrichtung an gleicher Position bzw. Tiefe an dem ersten Element angeordnet sein und/oder in Bewegungsrichtung versetzt, was eine abgestufte Kraftübertragung ermöglicht.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das mindestens eine dritte Element in Form mehrerer benachbarter dritter Elemente ausgebildet ist und ein Verhältnis („W/D-Verhältnis”) zwischen einem Abstand W benachbarter Löcher zu einer Querschnittsbreite der zugehörigen dritten Elemente (z. B. dem Durchmesser D) mindestens fünf (5) beträgt. Dadurch wird sichergestellt, dass die dritten Elemente nicht so nahe beieinander liegen, dass sie im Aufprallfall die zwischen sich befindlichen Wandstreifen übermäßig schwächen oder sogar frühzeitig, vor Eintreten der Lochleibung, versagen.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass das erste Element ein hohles prismatisches Element (mit eckigem Querschnitt) ist. Dies verhindert eine Drehbewegung des zweiten Elements in dem ersten Element. Alternativ mag das erste Element aber jede gewünschte Querschnittsform aufweisen, z. B. eine kreisrunde Form.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass ein Verhältnis („E/D-Verhältnis”) zwischen einem Abstand E eines Lochs von einer Kante des ersten Elements zu seiner Querschnittsbreite mindestens drei (3) beträgt. Dadurch können eine verringerte Energieaufnahme durch den ersten Träger im Bereich einer Kante als auch eine Deformation der Kante verhindert werden. Unter einer Kante kann insbesondere eine sich in Längsrichtung des ersten Trägers erstreckende Kante verstanden werden. Eine Kante entspricht insbesondere einer Ecke eines Querschnitts des ersten Elements.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass das Fahrzeug mehrere dritte Elemente aufweist, welche an unterschiedlichen Wandabschnitten des ersten Elements anordnet sind. Dadurch kann eine besonders hohe Energieabsorption erreicht werden. Unter einem Wandabschnitt kann insbesondere ein in Umfangsrichtung abgrenzbarer Bereich verstanden werden. Die Abgrenzung mag beispielsweise durch eine Kante erfolgen. Insbesondere mag ein Wandabschnitt ein im Querschnitt geradliniger Bereich zwischen zwei Ecken sein. Für den Fall eines im Querschnitt rechteckigen ersten Elements können beispielsweise eine Oberseite, eine Unterseite, eine rechte Seite und eine linke Seite des ersten Elements unterschiedliche Wandabschnitte mit ggf. unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere Festigkeiten, darstellen.
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Es ist darüber hinaus eine Ausgestaltung, dass mindestens ein Loch eine größere Breite aufweist als ein dadurch geführtes drittes Element und in dem Loch ein dazu passendes Einsatzelement eingesetzt ist, durch welches das dritte Element passend oder mit geringem Spiel geführt ist. Dies ergibt den Vorteil, dass durch Nutzen des „Baukastenprinzips” ein drittes Element mit einer ersten Breite (z. B. einem ersten Durchmesser) für ein erstes vorgegebenes Kraftniveau verwendet werden kann und höhere Kraftniveaus durch das Einsatzelement erzeugt werden. Auf diese Weise kann eine Skalierung des Kraftniveaus bei konstanter Bauteilgeometrie (Profilquerschnitt und Wandstärke) durchgeführt werden. Ferner kann das Kraftniveau über eine geeignete Wahl einer Außenbreite, insbesondere eines Außendurchmessers, des Einsatzelements durch Senkung des W/D-Verhältnisses abgesenkt werden.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das Einsatzelement ein Innenloch aufweist, welches ein dem dritten Element entsprechende Form und Größe (z. B. Durchmesser) aufweist, insbesondere zum passgenauen Einsatz des dritten Elements. Eine außenseitige Form und Größe (z. B. Durchmesser) des Einsatzelements mag einer Form und Größe des Lochs entsprechen, insbesondere zum passgenauen Einsatz des Einsatzelements in das Loch des ersten Elements. Ein W/D-Verhältnis kann sich dann insbesondere auf das Innenloch beziehen.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das zweite Element ein mit einem Stoßfänger verbundenes Verbindungselement ist. Das zweite Element kann insbesondere eine Crashbox sein.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das erste Element ein Motorträger ist.
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Eine Crashstruktur mag insbesondere einen (vorderen oder hinteren) Stoßfänger, mindestens zwei daran angebrachte zweite Elemente und jeweilige dritte Elemente aufweisen.
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Die obigen ersten bis dritten Elemente bzw. eine diese aufweisende Crashstruktur mag einen Teil eines Vorderwagenaufbaus oder eines Hinterwagenaufbaus darstellen. Die Crashstruktur mag auch zur Aufnahme eines Seitenaufpralls verwendet werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt in Draufsicht eine Skizze eines Vorderwagenaufbaus mit einer zugehörigen Crashstruktur mit ersten und zweiten Elementen;
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2 zeigt in Vorderansicht ein erstes Element mit mehreren dritten Elementen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Wand eines ersten Elements mit einem darin geführten dritten Element in einem normalen Zustand;
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4 zeigt in Draufsicht von außen die Wand aus 4 mit dem ersten Element im Aufprallfall;
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5 zeigt in Vorderansicht ein erstes Element mit mehreren dritten Elementen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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6 zeigt in Schrägansicht das erste Element mit mehreren dann eingesetzten dritten Elementen in einem normalen Zustand;
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7 zeigt in Schrägansicht das erste Element aus 6 im Aufprallfall; und
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8 zeigt einen Schnitt durch eine Wand des ersten Elements mit einem in ein Loch davon eingesetzten dritten Element und zusätzlich einem Einsatzelement.
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1 zeigt in Draufsicht eine Skizze eines Vorderwagenaufbaus 1 eines Personenkraftwagens 2 mit einer zugehörigen Crashstruktur 3. Die Crashstruktur 3 weist einen vorderen Stoßfänger 4 auf, welcher an zwei zweiten Elementen in Form von Crashboxen 5 befestigt ist. Die Crashboxen 5 sind in dem gezeigten normalen Zustand teilweise in erste Elemente in Form von Motorträgern 6 eingeführt. Die Motorträger 6 sind als röhrenförmige Hohlprofile aus CFK mit einer rechteckigen Querschnittsform ausgebildet. Auch die Crashboxen 5 weisen eine rechteckige Grundform auf und sind in dem Motorträger 6 längsverschieblich angeordnet.
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Bei einem Frontalaufprall mit höherer Geschwindigkeit, welcher durch den Pfeil C angedeutet ist, wird der Stoßfänger 4 mit den Crashboxen 5 so verschoben, dass sie auf die Motorträger 6 prallen und diese unter Energieabgabe zerstören. Da die Motorträger 6 aus CFK bestehen, wird Energie nicht durch plastische Verformung aufgenommen, sondern die Motorträger 6 werden durch vollständige Desintegration (Pulverisierung) und/oder Umlenkung des CFK-Materials zerstört. Unter Einfluss von Querkräften, wie sie beispielsweise bei einem seitlichen Aufprall auftreten, versagen bisherige Motorträger jedoch weitgehend unkontrolliert und katastrophal, z. B. durch Einknicken, unter einer merklich geringeren Energieaufnahme.
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2 zeigt in Vorderansicht einen Motorträger 6 mit vier dritten Elementen in Form von Bolzen 7. Die Bolzen 7 (z. B. Bolzen im engeren Sinne, Schrauben, Niete, Stifte usw.) sind von außen durch jeweils zugehörige, passende Löcher 8 in eine Wand 9 eingesetzt worden und damit durch das Loch 8 geführt. Die Bolzen 7 bestehen z. B. aus Metall, z. B. Stahl, und weisen folglich eine höhere Festigkeit, insbesondere Bruchfestigkeit, auf als der Motorträger 6. Die Bolzen 7 weisen hier einen runden Querschnitt mit einem konstanten Durchmesser D (siehe auch 3) auf.
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Genauer gesagt sind hier zwei Bolzen 7 an unterschiedlichen, gegenüberliegenden Wandabschnitten, welche einer linken Seitenwand 9l (linke Seite) und einer rechten Seitenwand 9r (rechte Seite) der Wand 9 entsprechen, spiegelsymmetrisch angeordnet. Die Bolzen 7 sind dabei in Bezug auf die Bahn der Crashbox und damit hier auch in Bezug auf eine Längsrichtung L des Motorträgers 6 nebeneinander angeordnet. Die Anordnung nebeneinander ist bei Anordnung an den Seitenwänden 9l und 9r eine Anordnung übereinander. Die Anordnung nebeneinander entspricht einer gleichen Position auf einer Längsachse L (siehe auch 1).
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3 zeigt den eingesetzten Bolzen 7 in größerem Detail. Ausgehend von einem außen an der Wand 9 des Motorträgers 6 anliegenden Kopf 7k des Bolzens 7 erstreckt er sich durch die Wand 9 mit ihrer Wanddicke t in einen hohlen Innenraum 10 des Motorträgers 6. Die Bolzen 7 ragen also in den Innenraum 10 und liegen somit in einer Bahn der zugehörigen Crashbox 5 im Aufprallfall. Die Bolzen 7 sind insbesondere unter einem vorbestimmten Lochleibungsdruck an der Wand 9 befestigt. Die Bolzen 7 weisen einen konstanten Durchmesser D auf.
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Ein W/D-Verhältnis zwischen einem Abstand W zwischen benachbarten Löchern 8, insbesondere deren Mittelpunkten, und dem Durchmesser D der Bolzen 7 beträgt (siehe auch 2) mindestens fünf. Der Abstand W ist also mindestens fünfmal so groß wie der Durchmesser D. Dadurch wird verhindert, dass die Bolzen 7 im Aufprallfall den tragenden Querschnitt des Motorträgers 6 entscheidend schwächen.
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Wie wieder in 2 gezeigt, weist der Motorträger 6 vier Kanten 12 auf, welche im Querschnitt den Ecken der Außenkontur entsprechen. Es wird bevorzugt, dass ein E/D-Verhältnis zwischen einem Abstand E eines Lochs 8 von einer Kante 12 des Motorträgers 6 zu einem Durchmesser D mindestens drei beträgt.
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4 zeigt eine Bewegung eines Bolzens 7, wenn dieser durch die Crashbox 5 um eine Strecke Δl nach hinten verschoben wird, wie durch den Pfeil angedeutet. Dabei reißt der Bolzen 7, der höhere Festigkeiten als der Motorträger 6 aufweist, die Wand 9 hinter sich auf Energie absorbiert wird.
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5 zeigt den Motorträger 6, in welchen nun aber keine Bolzen, sondern alternativ oder zusätzlich Stangen 13 durchgehend eingeführt sind.
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6 zeigt in Schrägansicht einen Motorträger 14 in einem normalen Zustand, bei welchem in einer Seitenwand 9r vier Bolzen 7 übereinander eingeführt sind und in einem oberen Wandabschnitt 15 (”Oberseite”) zwei Bolzen 7 nebeneinander eingeführt sind. Die jeweils gegenüberliegenden Wände oder Wandabschnitte können ebenfalls Bolzen enthalten, insbesondere auf eine spiegelsymmetrische Art, was hier nicht dargestellt ist. Daneben ist es denkbar eine zweite Reihe Bolzen 7 vorzusehen, welche versetzt zur ersten Reihe angeordnet ist. Diese ist hier ebenso nicht abgebildet.
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Die gezeigten Bolzen 7 befinden sind in Bezug auf die Längsachse L des Motorträgers 14 auf gleicher Position. Die nicht dargestellte Crashbox 5 ist in die gezeigte vordere Öffnung des Motorträgers 14 eingeführt, und zwar maximal auf Anschlag mit den Bolzen.
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7 zeigt in Schrägansicht den Motorträger 14 im Aufprallfall. Die Crashbox 5 hat nun die Bolzen 7 nach hinten verschoben, wobei diese in der Wand 9 hinter sich Rissspuren 16 bilden, zu deren Bildung Energie verbraucht wird.
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8 zeigt einen Schnitt durch eine Wand 9 des Motorträgers 6 mit einem in ein Loch 8 davon eingesetzten Bolzen 7 oder Stange 13 und zusätzlich einem Einsatzelement 17. So kann auch ein Bolzen 7 usw. spielfrei eingesetzt werden, welcher einen Durchmesser D aufweist, der geringer ist als ein Durchmesser D2 des Lochs 8. Das Einsatzelement 17 ist rohrförmig ausgebildet und weist einen Außendurchmesser entsprechend dem Durchmesser D2 des Lochs 8 und einen Innendurchmesser entsprechend dem Durchmesser D auf.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorderwagenaufbau
- 2
- Personenkraftwagen
- 3
- Crashstruktur
- 4
- Stoßfänger
- 5
- Crashbox
- 6
- Motorträger
- 7
- Bolzen
- 7k
- anliegender Kopf
- 8
- Loch
- 9
- Wand
- 9l
- linke Seitenwand
- 9r
- rechte Seitenwand
- 10
- Innenraum
- 12
- Kante
- 13
- Stange
- 14
- Motorträger
- 15
- oberer Wandabschnitt
- 16
- Rissspur
- 17
- Einsatzelement
- C
- Pfeil
- D
- Durchmesser
- Δl
- Strecke
- E
- Abstand
- L
- Längsrichtung
- t
- Wanddicke
- W
- Abstand
