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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Karosserieträger für ein Kraftfahrzeug, der aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist und in einem Kollisionsfall des Kraftfahrzeugs Energie absorbieren kann, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Karosserieträgers.
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Es ist bekannt eine Karosseriestruktur, insbesondere einen Karosserieträger, für ein Kraftfahrzeug derart auszulegen, dass sie in einem Kollisionslastfall Kollisionsenergie absorbierend versagt. Ein Karosserieträger aus einem metallischem Werkstoff ist dabei derart ausgelegt, dass er bei einem bestimmten Kraftniveau über eine dafür vorgesehene Strecke geeignet plastisch durch Verformen versagt. Ein Karosserieträger aus einem Faserverbundwerkstoff, wie beispielsweise aus kohlefaserverstärkten Kunststoff, versagt dahingegen mehr oder weniger kleinteilig überwiegend spröde. Ein Versagen eines derartigen Karosserieträgers aus Faserverbundwerkstoff wird auch „Crushing” genannt. Bei diesem Versagensmechanismus erfolgt eine mehr oder weniger vollständige Desintegration (Pulverisierung bzw. Fragmentierung oder auch Zersplitterung) des Karosserieträgers vorrangig im Sprödbruch. Je nach Ausgestaltung des Karosserieträgers kann dieser auch durch „Aufschälen” brechen bzw. versagen, bei dem das Faserverbundwerkstoffmaterial nur teilweise bricht und an einer Aufprallfläche um 180° umgelenkt wird. Bei dem „Crushing” kommt zum Abbau der kinetischen Kollisionsenergie ein Faserbruchmechanismus in Verbindung mit Reibung zur Wirkung. Am besten funktioniert dieser Versagensmechanismus bei einem frontalen Aufprall, bei welchem die Kraft auf den Träger senkrecht zu einem Trägerquerschnitt steht.
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Üblicherweise wird bei einem Karosserieträger aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff oder einem anderen Faserverbundwerkstoff ein Träger mit einem rechteckigen Hohlprofil verwendet. Ein derartiger Karosserieträger hat üblicherweise über seine Länge einen konstanten Querschnitt und versagt daher nach Überwindung eines Anfangsversagenskraftniveaus, das deutlich höher sein kann, fortschreitend auf einem im Wesentlichen konstanten Versagenskraftniveau. Je höher ein Versagenskraftniveau ist, desto größer ist eine Energieabsorptionsfähigkeit und desto größer ist in Abhängigkeit einer wirksamen Masse eine Verzögerung des Kraftfahrzeugs, insbesondere der Fahrgastzelle.
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Bei begrenzt zur Verfügung stehendem Bauraum bzw. begrenzt zur Verfügung stehender Versagensstrecke ist unter Umständen jedoch ein derartiger konstanter Versagenskraftverlauf über der Versagensstrecke zum Erreichen eines bestimmten Verzögerungsverlaufs des Kraftfahrzeugs/der Fahrgastzelle bzw. zur größtmöglichen Energieabsorption nicht gewünscht.
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Es ist nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Karosserieträger aus Faserverbundwerkstoff für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Karosserieträgers zu schaffen, wobei der Karosserieträger ein Versagen bei mit einem nichtkonstanten Soll-Versagenskraftverlauf bei einer Kollision des Kraftfahrzeugs ermöglicht und dabei einfach herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Karosserieträger für ein Kraftfahrzeug gelöst, der die Merkmale von Patentanspruch 1 aufweist. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Karosserieträgers gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
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Der Karosserieträger gemäß der vorliegenden Erfindung ist aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet und ist ferner als ein in einem Kollisionsfall des Kraftfahrzeugs energieabsorbierender Karosserieträger ausgebildet. Der Karosserieträger weist ein geschlossenes Hohlprofil auf und hat in Längsrichtung einen Abschnitt mit zumindest einer ersten Querschnittsform, d. h. Querschnittsgeometrie, und einen Abschnitt mit zumindest einer zweiten Querschnittsform, d. h. Querschnittsgeometrie, die sich von der ersten Querschnittsform unterscheidet. In Längsrichtung weist der Karosserieträger erfindungsgemäß eine im Wesentlichen konstante Querschnittsringfläche auf.
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Der Abschnitt mit der ersten Querschnittsform und der Abschnitt mit der zweiten Querschnittsform können auch als erster Versagensabschnitt und zweiter Versagensabschnitt bezeichnet werden. Der Begriff Querschnittsform bezeichnet eine Geometrie eines Querschnitts senkrecht zu einer Längsachse des Karosserieträgers. Als Querschnittsringfläche ist die Fläche bezeichnet, die der Querschnitt zwischen einem äußeren Umfang und einem inneren Umfang aufweist.
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Ein derartig ausgebildeter Karosserieträger mit einer konstanten Querschnittsringfläche kann einfach durch Umformen eines Trägers mit konstantem Querschnittsprofil ausgebildet werden. Eine Materialmenge bzw. ein spezifisches Gewicht des Karosserieträgers ist vorteilhaft über seine Länge konstant. Der Vorteil von unterschiedlichen Querschnittsformen ist derjenige, dass die Abschnitte mit den unterschiedlichen Querschnittsformen bei unterschiedlichen Kraftniveaus versagen, da je nach Querschnittsform eine mehr oder weniger kleinteiliger Sprödbruch eintritt, obwohl die Materialmenge konstant ist.
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Vorteilhaft hat der erfindungsgemäße Karosserieträger in Umfangsrichtung und in Längsrichtung eine im Wesentlichen konstante Wandstärke.
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Weiterhin hat der Karosserieträger in Längsrichtung einen im Wesentlichen konstanten Umfang. Der Umfang kann beispielsweise ein äußerer Umfang, ein innerer Umfang oder ein mittlerer Umfang sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Karosserieträger der vorliegenden Erfindung nicht nur mit zwei Abschnitten und entsprechend zwei unterschiedlichen Querschnittsformen ausgebildet sein, sondern kann eine Vielzahl von Abschnitten mit unterschiedlichen Querschnittsformen aufweisen. Der Karosserieträger kann auch Abschnitte mit gleicher/identischer Querschnittsform aufweisen, zwischen denen sich zumindest ein Abschnitt mit einer anderen Querschnittsform befindet.
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Somit kann der Karosserieträger über seine Versagensstrecke bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Kraftniveaus entsprechend eines gewünschten Versagenskraftverlaufs versagen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Übergang von der ersten Querschnittsform zu der zweiten Querschnittsform bzw. von einer Querschnittsform eines Abschnitts zu einer Querschnittsform eines benachbarten Abschnitts im Wesentlichen stufenlos ausgebildet.
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Dies hat zum Einen Vorteile bei einer Herstellung des Karosserieträgers und ermöglicht zum anderen einen stetigen Versagenskraftverlauf bei unterschiedlichen ineinander übergehenden Kraftniveaus.
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Bevorzugt kann der Karosserieträger einen Abschnitt mit einer mehreckigen Querschnittsform aufweisen. Eine mehreckige Querschnittsform kann beispielsweise eine dreieckige, eine viereckige, eine fünfeckige, eine sechseckige, eine siebeneckige oder eine achteckige Querschnittsform sein. Die viereckige Querschnittsform kann beispielsweise quadratisch oder zumindest rechteckig ausgebildet sein. Die mehreckige Querschnittsform kann insbesondere ein regelmäßiges Mehreck sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Karosserieträger zumindest einen Abschnitt mit einer zumindest ovalen Querschnittsform aufweisen, wobei diese beispielsweise elliptisch oder kreisförmig sein kann. Der Karosserieträger kann auch eine nichtsymmetrische Querschnittsform aufweisen. Insbesondere kann der Karosserieträger jede beliebige Querschnittsform mit geschlossenem Profil aufweisen, die gekrümmte und gerade Umfangsabschnitte aufweist.
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Eine kreisförmige Querschnittsform versagt grundsätzlich bei einem großen Kraftniveau, da hier durch die gekrümmte Form ein Sprödbruch besonders kleinteilig erfolgt. Im Gegensatz hierzu erfolgt ein Versagen einer viereckigen, insbesondere quadratischen, Querschnittsform bei einem verhältnismäßig geringen Kraftniveau, da die geradflächigen Seiten dazu tendieren weniger im kleinteiligen Sprödbruch als durch ein eingangs beschriebenes sprödes, deutlich weniger kleinteiliges Aufschälen zu versagen. Hierbei wird weniger Kollisionsenergie bei gleicher Versagensstrecke und gleicher Querschnittsringfläche absorbiert als dies bei der kreisförmigen Querschnittsform der Fall ist. Je mehr Ecken eine mehreckige Querschnittsform aufweist und je kürzer die geraden Flächen in Umfangsrichtung damit sind, desto eher versagt diese Querschnittsform kleinteilig spröde und damit bei einer höheren Kraftniveau und nähert sich mit einer Anzahl der Ecken dem Versagenskraftniveau einer kreisförmigen Querschnittsform an. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Querschnittsform auch durch gerade und gekrümmte Wände kombiniert ausgebildet ist. Je mehr Krümmungen eine Querschnittsform dabei aufweist, umso kleinteiliger erfolgt ein Versagen und desto höher ist ein Energieabsorptionsvermögen über eine gegebene Versagensstrecke. Mit anderen Worten kommt es auf das Verhältnis von einer Länge aller gekrümmten Umfangsabschnitte zu einem Gesamtumfang der jeweiligen Querschnittsform an – je größer dieses Verhältnis ist, umso größer ist die Kraft, bei der die Querschnittsform versagt.
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Bevorzugt ist der Karosserieträger gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix ausgebildet.
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Dies ist insbesondere besonders vorteilhaft, da ein thermoplastischer Kunststoff einfach durch Erwärmen umgeformt werden kann und damit die zumindest zwei unterschiedlichen Querschnittsformen in einem einzigen Karosserieträger besonders einfach hergestellt werden können. Als Ausgangshalbzeug kann dabei vorteilhaft ein kontinuierlich hergestelltes Hohlprofil mit konstantem Querschnitt verwendet sein, das dann entsprechend umgeformt wird.
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Bevorzugt ist der Faserverbundwerkstoff mit Endlosfasern ausgebildet.
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Endlosfasern ermöglichen eine besonders hohe Festigkeit des Karosserieträgers.
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Als Fasern für den Faserverbundwerkstoff können Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern und/oder Polymerfasern, insbesondere Aramidfasern bzw. PBO-Fasern, und/oder Naturfasern und/oder Quarzfasern und/oder Keramikfasern und/oder Siliziumcarbidfasern verwendet sein.
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Aufgrund der hohen Festigkeit in Verbindung mit einer geringen Dichte sind bei einem strukturellen Karosserieträgern Kohlenstofffasern besonders bevorzugt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Ausbildung der Querschnittsform über eine Versagensstrecke des Karosserieträgers entsprechend einem gewünschten Versagenskraftverlauf bzw. einer Versagenskraft ausgebildet. Eine Änderung der Querschnittssform bzw. ein Übergang von einer Querschnittsform zur anderen Querschnittsform ist ferner ebenfalls entsprechend dem gewünschten Versagenskraftverlauf bzw. einer Versagenskraftänderung ausgebildet.
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Bevorzugt kann der Karosserieträger derart angepasst sein, dass er in einem vorderen Lastpfad einer Frontalkollision des Kraftfahrzeugs und/oder in einem hinteren Lastpfad einer Heckkollision des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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Vorteilhaft kann der Karosserieträger mittelbar oder unmittelbar mit einem Stoßfängerquerträger verbunden sein.
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Beispielsweise kann der Karosserieträger ein sogenannter Hauptlängsträger oder Motorträger bei einem Kraftfahrzeug mit Frontmotor sein.
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Der Karosserieträger kann bevorzugt ein Deformationselement sein, das zur Anordnung zwischen einem Stoßfängerquerträger und einem Längsträger, insbesondere einem Motorträger, angepasst ist. Ein Deformationselement ist insbesondere angepasst, bei einer Kollision mit niedriger Kollisionsenergie hinreichend Kollisionsenergie abzubauen, um eine irreversible Schädigung des Längsträgers zu unterbinden.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug bzw. eine Kraftfahrzeugkarosserie mit einem erfindungsgemäßen vorstehend beschriebenen Karosserieträger.
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Darüber hinaus wird die vorstehende Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Karosserieträgers gemäß der vorliegenden Erfindung mit den Schritten gelöst: Herstellen eines geschlossenen Hohlprofils mit in Längsrichtung konstanten Querschnitt und Umformen des Hohlprofils. Bevorzugt handelt es sich bei dem Hohlprofil um ein Endloshohlprofil. Das Umformen des Hohlprofils kann dabei vorteilhaft durch lediglich ein Außenwerkzeug unter Weglassung eines Innenwerkzeugs erfolgen.
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Gemäß dem Verfahren kann der Schritt Herstellen des Endloshohlprofils mittels eines kontinuierlichen Herstellungsverfahrens erfolgen. Beispielsweise kann dies in einem Poltrusionsverfahren oder in einem Profilarmierungsziehen erfolgen.
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Ein derartiges kontinuierliches Herstellungsverfahren ist besonders kostengünstig.
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Des Weiteren kann der Schritt Umformen des Hohlprofils insbesondere ein Warmumformen sein, bei dem das Hohlprofil zuvor direkt erwärmt wird oder über das Umformwerkzeug erwärmt wird.
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Vorstehend aufgeführte Merkmale und Weiterbildungen der Erfindung können soweit möglich und sinnvoll beliebig miteinander kombiniert werden.
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Es folgt eine Kurzbeschreibung der Zeichnung.
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1 ist eine schematische Perspektivansicht eines Karosserieträgers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine schematische Querschnittansicht eines ersten Abschnitts des Karosserieträgers gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine schematische Querschnittansicht eines Übergangsabschnitts des Karosserieträgers gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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4 ist eine schematische Querschnittansicht eines zweiten Abschnitts des Karosserieträgers gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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5 ist eine schematische Seitenansicht des Karosserieträgers gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt ein Diagramm mit einem schematischen Verlauf einer Versagenskraft über eine Versagensstrecke des Karosserieträgers gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Nachstehend erfolgt eine detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 6.
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Ein Karosserieträger 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise ein Deformationselement, das auch als Crashbox bezeichnet wird und im Wesentlichen zwischen einem Stoßfängerquerträger und jeweils einem vorderen Ende eines linken und rechten Hauptlängsträgers bzw. Motorträgers des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Das Deformationselement ist damit in einem vorderen Lastpfad, der bei einer Frontalkollision des Kraftfahrzeugs wirksam ist, integriert. In 1 zeigt ein Pfeil eine x-Richtung, d. h. eine Fahrzeuglängsrichtung, eines Fahrzeugkoordinatensystems an.
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Der Karosserieträger 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff ausgebildet. Bevorzugt sind hierbei Endloskohlenstofffasern verwendet.
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Wie in 1 gezeigt ist, hat der Karosserieträger 1 einen ersten Abschnitt 3, der eine im Wesentlichen quadratische Querschnittsform (mit abgerundeten Kanten, siehe 2) hat, und einen zweiten Abschnitt 5, der eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsform (siehe 4) hat. Ferner weist der Karosserieträger 1 einen Übergangsabschnitt 4 auf, der zwischen dem ersten Abschnitt 3 und dem zweiten Abschnitt 5 angrenzend zu dem ersten Abschnitt 3 und dem ausgebildet ist. Der Übergangsabschnitt 4 bildet einen stetigen Übergang zwischen dem ersten Abschnitt 3 und dem zweiten Abschnitt 5 und hat eine in Längsrichtung des Karosserieträgers 1 sich fortschreitend ändernde Querschnittsform. In 3 ist beispielhaft eine Querschnittsform des Übergangsabschnitts gezeigt. Während der erste Abschnitt 3 aus im Wesentlichen geraden, d. h. ebenen, Wandabschnitten ausgebildet ist und der zweite Abschnitt 5 lediglich eine einzige gekrümmte Wandfläche aufweist, hat der Übergangsabschnitt 4 sowohl gerade, ebene Wandabschnitte als auch gekrümmte Wandabschnitte, wie sowohl 1 als auch 2, 3 und 4 zu entnehmen ist.
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Eine Querschnittsringfläche des ersten Abschnitts 3, eine Querschnittsringfläche des zweiten Abschnitts 5 sowie eine Querschnittsringfläche des Übergangsabschnitts 4 sind dabei in Längsrichtung im Wesentlichen konstant bzw. gleich. Mit anderen Worten hat der Karosserieträger 1 in Längsrichtung eine im Wesentlichen gleichbleibende Materialmenge, die lediglich in einer anderen Querschnittsform ausgebildet ist. Ebenso sind in dem in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wandstärken der einzelnen Abschnitte im Wesentlichen konstant bzw. gleich, wie in 2, 3 und 4 gezeigt ist. Ferner sind auch die äußeren Umfänge der einzelnen Abschnitte konstant bzw. gleich.
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In vorliegenden Fall ist der Karosserieträger 1 als Deformationselement derart zum Einbau zwischen dem Stoßfängerquerträger und dem Hauptlängsträger angepasst, dass der erste Abschnitt 3 benachbart zu dem Stoßfängerquerträger ist und der zweite Abschnitt 5 benachbart zu dem Hauptlängsträger ist.
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Der Karosserieträger 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise über ein kontinuierliches Poltrusionsverfahren als kontinuierliches Hohlprofil, das heißt als Hohlprofil mit über die Länge konstantem Querschnitt, hergestellt. Beispielsweise entspricht das als Ausgangsprofil verwendete Hohlprofil der Querschnittsform des zweiten Abschnitts 5, was dahingegen vorteilhaft ist, dass ein Hohlprofil mit einem kreisförmigen Querschnitt besonders einfach und kostengünstig mit einem kontinuierlichen Verfahren herstellbar ist. Das Ausgangshohlprofil wird mittels eines erwärmten Umformwerkzeugs durch Warmumformen in die beschriebene Form mit dem ersten Abschnitt 3, dem zweiten Abschnitt 5 und dem Übergangsabschnitt 4 gebracht. Dabei wird zum Umformen beispielsweise nur ein Außenwerkzeug verwendet, wobei auf ein Innenwerkzeug verzichtet werden kann. Da der Karosserieträger 1 aus einem thermoplastischen Werkstoff ausgebildet ist, ist das Warmumformen hierdurch besonders einfach möglich.
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Der Karosserieträger 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel kann daher wie beschrieben einfach hergestellt werden und ermöglicht es, dass er über seine Länge unterschiedliche Versagensabschnitte aufweist, die bei unterschiedlichen Kraftniveaus versagen.
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Eine Funktion und Wirkung des Karosserieträgers 1 ist im Folgenden unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben.
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In 5 ist eine Seitenansicht des Karosserieträgers 1 gezeigt, wobei links ein vorderes Ende des Karosserieträgers 1 mit dem ersten Abschnitt 3 und rechts ein hinteres Ende des Karosserieträgers 1 mit dem zweiten Abschnitt 5 dargestellt ist. 6 zeigt einen Verlauf einer Versagenskraft F des Karosseriestrukturträgers 1 über seine gesamte Versagensstrecke x von seinem vorderen Ende beginnend bis zu seinem hinteren Ende. Wie aus einer Gegenüberstellung der 5 und 6 ersichtlich ist, ist ein Verlauf der Versagenskraft während eines Versagens des ersten Abschnitts 3 konstant auf einem niedrigsten Niveau. Ein gegebenenfalls erforderliches deutlich höheres Anfangsversagenskraftniveau, das zum Einleiten des Versagens des Karosserieträgers 1 erforderlich ist, ist in diesem Diagramm von 6 der Einfachheit halber nicht dargestellt. In dem Bereich, in dem der Querschnitt des Karosserieträgers 1 sich mit Beginn des Übergangsabschnitts 4 ändert, und entsprechend einer Zunahme der Länge der runden/gekrümmten Abschnitte des Umfangs im Verhältnis zum Gesamtumfang nimmt auch die Versagenskraft zu, wie in 6 in schematisch dargestellt ist. Sobald der Übergangsabschnitt 4 vollständig versagt hat und der zweite Abschnitt 5 beginnt fortschreitend zu versagen, ist die Versagenskraft F über die Versagensstrecke x bei einem höchsten Niveau konstant, bis die Versagensstrecke des zweiten Abschnitts 5 vollständig aufgebraucht ist.
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Grundsätzlich können die Querschnittsformen der Versagensabschnitte des Karosserieträgers auch anders wie in dem Ausführungsbeispiel beschrieben ausgebildet sein. Es können ferner beliebig viele unterschiedliche Versagensabschnitte vorgesehen sein. Ebenso kann der Karosserieträger auch gleiche, nicht benachbart zueinander angeordnete Versagensabschnitte aufweisen. Dabei kommt es lediglich auf den gewünschten Versagenskraftverlauf des Karosserieträgers an. Der gewünschte Versagenskraftverlauf hängt wiederum von einer übrigen Versagensstruktur (Crashstruktur) des Kraftfahrzeugs, einem Verlauf einer während der Kollision wirksamen Masse des Kraftfahrzeugs sowie Verzögerungsschwellwerten bzw. einem Verzögerungsschwellwertverlauf einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs ab.
