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Die Erfindung betrifft ein Fahrwerksteil sowie eine Verfahren zum Herstellen eines solchen Fahrwerksteils der in den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche angegebenen Art.
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Aus der
DE 10 2009 014 194 A1 ist ein als Querlenker ausgebildetes Fahrwerksteil für einen Kraftwagen als bekannt zu entnehmen, welches einen durch eine Kunststoffstruktur verstärkten Grundkörper aufweist. Der Grundkörper ist dabei aus einem Tiefziehblech ausgebildet.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrwerksteil sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem ein Fahrwerksteil mit einer besonders belastungsangepassten Struktur bereitgestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Fahrwerksteil sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein besonders belastungsangepasstes Fahrwerksteil für einen Kraftwagen bereitzustellen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Grundkörper wenigstens zwei schalenförmige, faserverstärkte Kunststoffteile umfasst, zwischen welchen ein durch die Kunststoffstruktur verstärkter Hohlraum ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Fahrwerksteil zumindest im Wesentlichen ein geschlossenes Querschnittsprofil aufweist, da dadurch sowohl während des Einsatzes des Fahrwerksteils auftretende Biege- als auch Torsionsbelastungen besonders gut aufgenommen werden können.
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Des Weiteren wird durch den Einsatz der schalenförmigen und faserverstärkten Kunststoffteile eine Gewichtsreduzierung erzielt, welche sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch eines Kraftwagens mit einem solchen Fahrwerksteil auswirkt. Durch die verringerten ungefederten Massen der Radaufhängung gehen zudem ein Komfortgewinn und eine Verbesserung des Fahrverhaltens des entsprechenden Kraftwagens einher. Darüber hinaus wird eine besonders hohe Knickstabilität und Torsionssteifigkeit des Grundkörpers durch den Einsatz der Kunststoffverstärkung erreicht.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest an einem der faserverstärkten Kunststoffteile ein dieses im Wesentlichen außenseitig bedeckendes Blechteil angebracht ist. Mit anderen Worten wird vorzugsweise also eine Metall-Organoblech-Sandwichkonstruktion vorgesehen, wobei durch die Vorsehung des außenseitigen Blechteils die faserverstärkten Kunststoffteile besonders gut vor Steinschlag und dergleichen geschützt werden können. Darüber hinaus kann durch das Blechteil die Crash-Strukturintegrität gewährleistet werden. Eine ausreichende Haftung des faserverstärkten Kunststoffteils an dem Blechteil kann beispielsweise durch eine entsprechende Primer-Beschichtung des Blechteils gewährleistet werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Fahrwerksteil zur Verstärkung besonders belasteter Bereiche zumindest ein Verstärkungselement mit belastungsgerecht ausgerichteten Fasern oder unidirektional ausgerichteten Fasern umfasst. Durch die Vorsehung des zumindest einen Verstärkungselements können sowohl die Zugfestigkeit als auch die Steifigkeit gezielt an kritischen Stellen erhöht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein mehrere Sensorleitungen umfassendes Structural Health Monitoring System in das Fahrwerksteil integriert ist. Dadurch wird eine Erhöhung der Systemzuverlässigkeit durch eine permanente Überwachbarkeit des Fahrwerksteils ermöglicht. Schädigungen, zum Beispiel Risse oder Verformungen, können frühzeitig erkannt werden, so dass kontinuierlich Anhaltspunkte über die Funktionsfähigkeit des Fahrwerksteils vorliegen und – falls erforderlich – rechtzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Fahrwerksteils, insbesondere eines Querlenkers, für einen Kraftwagen wird ein Grundkörper des Fahrwerksteils mit einer Kunststoffstruktur verstärkt, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch auszeichnet, dass wenigstens zwei schalenförmige, faserverstärkte Kunststoffteile in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und anschließend die Kunststoffstruktur in einen durch die faserverstärkten Kunststoffteile ausgebildeten Hohlraum eingebracht wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrwerksteils sind dabei auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass vor dem Spritzgießvorgang zur Verstärkung besonders belasteter Bereiche des Fahrwerksteils wenigstens ein Verstärkungselement mit belastungsgerecht ausgerichteten Fasern auf dem Grundkörper angebracht und anschließend beim Spritzgießvorgang umspritzt wird. Dadurch können auf besonders einfache Weise Verstärkungen in besonders belasteten Bereichen des Fahrwerksteils bereits während der Herstellung integriert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass zur Verstärkung besonders belasteter Bereiche des Fahrwerksteils wenigstens ein unidirektional ausgerichtete Fasern aufweisendes, bandförmiges Verstärkungselement an der Oberfläche des Grundkörpers befestigt wird. Dadurch können ebenfalls auf besonders einfache Weise entsprechende Verstärkungen an besonders belasteten Bereichen des Fahrwerksteils bereits während der Herstellung des Fahrwerksteils an diesem vorgesehen werden.
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Schließlich ist es bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass während der Herstellung des Fahrwerksteils mehrere Sensorleitungen eines Sensorsystems zur Schadenserkennung in das Verstärkungselement mit den belastungsgerecht oder den unidirektional ausgerichteten Fasern oder in den Grundkörper integriert werden. Somit können die Sensorleitungen auf besonders einfache und effiziente Weise bereits während der Herstellung des Fahrwerksteils in dieses integriert werden. Darüber hinaus wird dadurch sichergestellt, dass die Sensorleitungen innerhalb jeweiliger Kraftflüsse des Fahrwerksteils angebracht werden, da die als Verstärkungsfasern dienenden Fasern ohnehin in Richtung der jeweiligen Kraftflüsse angeordnet sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine Perspektivansicht auf einen Trapezlenker für einen Kraftwagen;
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2 eine Querschnittsansicht des Trapezlenkers, wobei zwei schalenförmige, faserverstärkte Kunststoffteile, zwischen welchen ein durch eine Kunststoffstruktur verstärkter Hohlraum ausgebildet ist, dargestellt ist, wobei an dem unteren der faserverstärkten Kunststoffteile ein dieses im Wesentlichen außenseitig bedeckendes Blechteil angebracht ist;
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3 eine Perspektivansicht auf das noch nicht umgeformte Blechteil sowie ein mit belastungsgerecht ausgerichteten Fasern versehenes Grundmaterial, aus welchem die faserverstärkte Kunststoffteile hergestellt werden;
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4 eine schematische Darstellung zur belastungsgerechten Anbringung der ausgerichteten Fasern auf dem Grundmaterial;
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5 einen Nähkopf, mittels welchem die belastungsgerecht ausgerichteten Fasern auf dem Grundmaterial angebracht werden,
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6 eine schematische Darstellung zur Anbringung unidirektional ausgerichteter Verstärkungsfasern auf einem Grundmaterial, aus welchem die faserverstärkte Kunststoffteile hergestellt werden; und in
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7 eine Perspektivansicht von unten auf eines der faserverstärkten Kunststoffteile, wobei mehrere Sensorleitungen zur Schadensdetektion an diesem angebracht sind.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein Trapezlenker 10 ist in einer Perspektivansicht in 1 dargestellt. Bei dem vorliegenden Trapezlenker 10 handelt es sich um einen linken unteren Lenker für eine angetriebene Hinterachse eines Kraftwagens. Eine Fahrtrichtung 12 des Kraftwagens ist mit dem Pfeil gekennzeichnet. Der Trapezlenker 10 weist zwei Anbindungslager 14 zur karosserieseitigen Anbindung des Trapezlenkers 10 an einen Kraftwagen auf, welche beispielsweise als Elastomerlager ausgebildet sind. Des Weiteren weist der Trapezlenker 10 eine Anbindung 16 für einen hier nicht dargestellten Federteller einer Tragfeder auf. Zudem ist eine weitere Anbindung 18 für einen hier nicht dargestellten Stoßdämpfer dargestellt, welche vorliegend zweischneidig ausgeführt ist.
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Der Trapezlenker 10 weist einen Grundkörper 20 auf, welcher in einer Hybrid-Sandwichbauweise ausgebildet ist. Der Aufbau des Trapezlenkers 10 ist nachfolgend in 2 dargestellt, in welcher eine Querschnittsansicht des Trapezlenkers 10 gezeigt ist.
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Wie zu erkennen, umfasst der Trapezlenker 10 zwei schalenförmige, faserverstärkte Kunststoffteile 22, 24, zwischen welchen ein durch eine Kunststoffstruktur 26 verstärkter Hohlraum 28 ausgebildet ist. An dem unteren faserverstärkten Kunststoffteil 24 ist zudem ein umgeformtes Blechteil 30 vorgesehen, welches im Wesentlichen das faserverstärkte Kunststoffteil 24 außenseitig bedeckt. Die Kunststoffstruktur 26 ist vorliegend aus Spritzgusshinterspritzungen 32 ausgebildet. Zudem sind Verstärkungselemente 34 innenseitig an den faserverstärkten Kunststoffteilen 22, 24 angebracht. Die Kunststoffstruktur 26 kann beispielsweise aus einem Kunststoff in Form von PPA in Kombination mit als Verstärkungsfasern dienenden Karbonfasern ausgebildet sein.
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Der Trapezlenker 10 ist also als faserverstärktes Kunststoffbauteil in einer Hybrid-Sandwichbauweise ausgebildet und kann dabei aus dem hier gezeigten Grundkörper 20 oder auch aus mehreren Grundkörpern 20 ausgebildet sein, welche über eine angespritzte Verstärkungsstruktur in ihrem Innenraum verfügen. Dabei weist der zumindest eine Grundkörper 20 einen Metallblech-Organoblech-Verbund auf, welcher vorliegend aus dem faserverstärkten Kunststoffteil 22 und dem Blechteil 30 ausgebildet ist. Das Blechteil 30 schützt das faserverstärkte Kunststoffteil 22 vor Steinschlag, wobei zudem durch das Blechteil 30 die Crash-Strukturintegrität des Trapezlenkers 10 sichergestellt und dabei gleichzeitig die hohe Festigkeit des faserverstärkten Kunststoffteils 22 ausgenutzt werden kann. Eine ausreichende Haftung des faserverstärkten Kunststoffteils 22 an dem Blechteil 30 lässt sich zum Beispiel durch eine Primer-Beschichtung des Blechteils 30 gewährleisten.
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Zur Herstellung des Trapezlenkers werden die einzelnen Elemente stoffschlüssig mit einem Matrixwerkstoff umspritzt, was in einem hier nicht dargestellten Spritzgießwerkzeug, in einem sogenannten In-Mould-Assembly-Prozess, vorgenommen wird. Das spart einen zusätzlichen Fügeschritt ein, der bei einer separaten Fertigung der Kunststoffstruktur 26 notwendig wäre. Der Zusammenbau des Trapezlenkers 10 erfolgt dabei durch ein Aufschmelzen entsprechender Fügeflächen und einem Zusammenpressen des Trapezlenkers 10.
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Um eine zusätzliche Verstärkung besonders stark belasteter Bereiche des Trapezlenkers 10 zu erreichen, können an diesem zusätzliche Fasern 36 in Form von Endlosfasern, beispielsweise aus Kohlenstoff, angebracht werden. Die Fasern 36 können beispielsweise in den bereits oben beschriebenen Verstärkungselementen 34 integriert oder auch zusätzlich am Trapezlenker 10 vorgesehen werden. Dies kann durch unterschiedliche Vorgehensweisen erzielt werden.
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In 3 ist eine erste Alternative zur Anbringung dieser Fasern 36 dargestellt. Hierbei werden durch ein sogenanntes Tailored Fiber Placement als Verstärkung dienende, belastungsgerecht ausgerichtet Fasern 36 vor dem Spritzvorgang auf einem Grundmaterial 38 fixiert und mit umspritzt. Bei dem Grundmaterial 38 handelt es sich vorliegend um ein Gewebe (Fasertextil), welches zur Herstellung der faserverstärkten Kunststoffteile 22, 24, verwendet wird.
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In 4 ist in einer schematischen Darstellung der Vorgang des Tailored Fiber Placements gezeigt. Die als Endlosfaser vorliegende Faser 36 wird von einer Spule abgewickelt und mittels einer Zuführung 40 dem Grundmaterial 38 zugeführt. Mittels einer Nähnadel 42 wird ein als Oberfaden dienender Nähfaden 44 zugeführt, um die Faser 36 auf dem Grundmaterial 38 zu befestigen. Durch die Pfeile 46, 48 sind dabei jeweils ausgeführte Bewegungsrichtungen des Grundmaterials 38 während des Aufnähvorgangs der Faser 36 dargestellt. In 5 ist in einer Perspektivansicht ein Nähkopf 50 dargestellt, mittels welchem das Tailored Fiber Placement auf einem Grundkörper 38 durchgeführt wird.
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Eine weitere Möglichkeit, die Fasern 36 in den besonders beanspruchten Bereichen des Trapezlenkers 10 vorzusehen, ist in einer schematischen Darstellung in 6 gezeigt.
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Hierbei werden unidirektionale Kunststofffasertapes 52 auf die Oberfläche eines Grundmaterials 38 geklebt oder geschweißt. Bei dem Grundmaterial 38 kann es sich hierbei um Preforms handeln, aus welchen im weiteren Herstellungsprozess die faserverstärkten Kunststoffteile 22, 24 hergestellt werden.
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Die unidirektionalen Tapes 52 bestehen aus unidirektionalen Faserstreifen mit 5 mm bis 40 mm Breite. Sie können im unimprägnierten oder imprägnierten und konsolidierten Zustand vorliegen. Imprägniert und konsolidiert werden sie zum Beispiel in einem vorgelagerten Pultrusionsprozess, welcher hier nicht dargestellt ist. Alternativ kann ein hier nicht dargestelltes, breites, unidirektionales Gelege in einer hier nicht dargestellten Doppelwandpresse hergestellt und im Anschluss mittels nebeneinander liegenden Schneidmessern in die dünneren, unidirektionalen Tapes 52 geteilt werden, welche wiederum, wie in 6 dargestellt, auf der Oberfläche des Grundmaterials 38 angebracht werden können.
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Des Weiteren ist es vorgesehen, an dem Trapezlenker 10 ein nicht näher bezeichnetes Sensorsystem zur Schadensdetektion vorzusehen. In 7 ist in einer Perspektivansicht die Innenseite von einem der schalenförmigen faserverstärkten Kunststoffteile 22, 24 dargestellt. Zur Schadensüberwachung des Trapezlenkers 10 werden an vorbestimmten Stellen Sensorleitungen 54 des Sensorsystems vorgesehen, mittels welchen unmittelbar und rechtzeitig Beschädigungen, beispielsweise in Form von Rissen oder Verformungen, entdeckt werden können.
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Durch die Integration der als Sensoren dienenden Sensorleitungen 54 in Kombination mit einer entsprechenden Datenübertragungstechnik sowie einer Auswertungs- und Bewertungssoftware lässt sich erkennen, wie groß ein Schaden an dem Trapezlenker 10 ist und dadurch bestimmen, welche Maßnahmen beispielsweise zur Schadensbehebung getroffen werden müssen. So kann zum Beispiel die Steifigkeit des Trapezlenkers 10 überwacht werden. Bei einem Steifigkeitsabfall um ein vorgegebenes Maß, beispielsweise um 5%, kann ein Alarm im Kraftwagen ausgelöst werden. Eine entsprechende Schadensmeldung kann als Anzeige auf dem Bordcomputer des Kraftwagens erscheinen und/oder mittels eines entsprechenden Diagnosegerätes in der Werkstatt ausgelesen werden.
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Die drahtförmigen Sensorleitungen 54 werden beispielsweise in eine Preform des faserverstärkten Kunststoffteils 22, 24 eingearbeitet und über hier nicht dargestellte integrierte Kontaktelemente mit einem Senderchip 56, bei welchem es sich beispielsweise um einen RFID-Chip oder dergleichen handeln kann, verbunden. Die Kosten für den Trapezlenker 10 mit einem derartigen Sensorsystem belaufen sich auf ca. 0,5 Euro und sind somit als ziemlich gering einzustufen. Bereits im Kraftwagen genutzte Empfänger von Steuergeräten, beispielsweise zur Reifendrucküberwachung, einer Sitzbelegungserkennung oder dergleichen können dabei mitgenutzt werden.
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Die Sensorleitungen 54 können auf vielfältige Weise während der Herstellung des Trapezlenkers 10 in diesen eingebracht werden. Eine Variante ist das Mitaufnehmen der Sensorleitungen 54 zusammen mit der als Verstärkung dienen Faser 36, welche beispielsweise als Rowing bereitgestellt wird, im Zuge des bereits zuvor erläuterten Tailor Fiber Placements.
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Alternativ können die Sensorleitungen 54 auch in den bereits zuvor erwähnten unidirektionalen Tapes 52 eingebracht werden, welche in den Trapezlenker 10 integriert werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Sensorleitungen 54 in die faserverstärkten Kunststoffteile 22, 24 zu integrieren. Dabei werden die Sensorleitungen 54 beim Herstellungsprozess in ein entsprechendes Gelege beziehungsweise Gewebe mit eingewebt. Eine weitere Möglichkeit, die Sensorleitungen 54 in den Trapezlenker 10 zu integrieren, ist das sogenannte Jacquard-Prinzip. Auch hier werden die Sensorleitungen 54 beim Herstellen von Preforms der faserverstärkten Kunststoffteile 22, 24 frei, flexibel und anforderungsgerecht in ein entsprechendes Gewebe der Preform mit eingebracht.
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Insgesamt können durch den beschriebenen Trapezlenker 10 vielfältige Vorteile erzielt werden. Montage-, Funktions- und Herstellkosten können erheblich reduziert werden. Durch die beschriebene Ausgestaltung des Trapezlenkers 10 kann dieser besonders leichtgewichtig sein, was sich positiv auf eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs auswirkt. Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Verstärkungsfasern des Faserverbundkunststoff-Halbzeugs und der Kunststoffmatrix können besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften erzielt werden. Darüber hinaus werden ein Komfortgewinn und eine Verbesserung des Fahrverhaltens eines Kraftwagens durch geringere ungefederte Massen der gesamten Radaufhängung erzielt. Der Trapezlenker 10 weist eine besonders hohe Knickstabilität und Torsionssteifigkeit durch die eingebrachte Kunststoffstruktur 26 auf.
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Die Zugfestigkeit und Steifigkeit werden durch die gezielt an kritischen Stellen vorgesehenen Fasern 36 oder Fasertapes 52 erhöht. Zudem kann die Korrosionsbeständigkeit des Trapezlenkers 10 erheblich gesteigert werden.
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Üblicherweise bei metallischen Trapezlenkern notwendige Beschichtungen, beispielsweise durch eine kathodische Tauchlackierung, können entfallen. Ein besonders guter Schutz vor Steinschlag und eine Bewahrung der Strukturintegrität des Trapezlenkers 10 werden durch die Vorsehung des Blechteils 30 oder weiterer Blechteile 30 erzielt. Zudem kann eine erhebliche Kosteneinsparung durch eine Funktionsintegration des Sensorsystems, von Kabelhalterungen und dergleichen erzielt werden. Darüber hinaus wird eine Erhöhung der Systemzuverlässigkeit durch eine permanente Überwachbarkeit mittels des als Health-Monitoring-Systems dienenden Sensorsystems erzielt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009014194 A1 [0002]
