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Die Erfindung betrifft eine Luftleitvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere eine Heckspoilereinheit für ein Kraftfahrzeug, mit einem Montageträger, ferner mit einer Antriebseinrichtung, und mit einem Luftleitelement, wobei der Montageträger die Antriebseinrichtung trägt, und wobei die Antriebseinrichtung das Luftleitelement zur Einnahme verschiedener Stellungen, beispielsweise einer Gebrauchs- und Nichtgebrauchsstellung, beaufschlagt.
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Eine Luftleitvorrichtung der einleitend beschriebenen Ausprägung und Gestaltung wird in der
EP 2 007 615 B1 vorgestellt. Tatsächlich sorgt die Antriebseinrichtung regelmäßig dafür, dass das an die Antriebseinrichtung angeschlossene und hiervon beaufschlagte Luftleitelement unterschiedliche Stellungen einnehmen kann. Mit Hilfe des Luftleitelementes wird am Fahrzeug bzw. Kraftfahrzeug ein gewünschter Abtrieb erzeugt. Dazu lässt sich das Luftleitelement typischerweise von einer Nichtgebrauchsstellung in eine Gebrauchsstellung und umgekehrt überführen.
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Die Einnahme der Gebrauchsstellung erfolgt in der Regel in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges, um insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten, typischerweise 100 km/h und mehr, einen erhöhten Abtrieb insbesondere am Heck zu erzeugen. Selbstverständlich kann das Luftleitelement auch generell im Betrieb verstellt werden, um den Abtrieb zu verändern. Diese sämtlichen Stellbewegungen des Luftleitelementes werden mit Hilfe der Antriebseinrichtung erzeugt.
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Da der Montageträger die Antriebseinrichtung trägt bzw. die Antriebseinrichtung an dem Montageträger angeschlossen ist, können im Regelfall Montageträger und Antriebseinrichtung zusammengenommen am Fahrzeug bzw. Kraftfahrzeug befestigt und angebaut werden. Dazu ist der Montageträger typischerweise mit Befestigungspunkten oder allgemein Befestigungselementen ausgerüstet, um ihn an einer zugehörigen Karosserie des Fahrzeuges festlegen zu können.
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Dementsprechend stellt der Montageträger einem Bestandteil des Fahrzeugaufbaus dar und ist im Regelfall im Heck des Fahrzeugaufbaus zwischen Seitenteilen des Fahrzeughecks in Fahrzeugquerrichtung angeordnet. Bei dem insoweit durch die
DE 10 2008 036 188 A1 bekannten Montageträger handelt es sich um ein Aluminiumgussteil, welches auf diese Weise optimale Festigkeit aufweisen soll und in Verbindung mit den inneren Seitenteilen des Fahrzeugaufbaus einen steifen Festigkeitsverbund im Heckbereich der Karosserie zur Verfügung stellt.
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Als Alternative für Aluminium als Material zur Herstellung des bekannten Montageträgers nach der
DE 10 2008 036 188 A1 wird zusätzlich die Möglichkeit angesprochen, den Montageträger aus Stahlblech oder faserverstärktem Kunststoff herzustellen. Dadurch wird zwar bereits ein Bauteil mit relativ geringem Gewicht zur Verfügung gestellt, welches dennoch die geforderte Festigkeit aufweist oder aufweisen soll.
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Beim Stand der Technik wird dazu insgesamt so vorgegangen, dass die Fasern in dem faserverstärkten Kunststoff in großer Menge eingebracht werden, um auf jeden Fall die geforderten Festigkeitswerte erreichen zu können. Daraus resultiert zwangsläufig eine Gewichtserhöhung, welche als insgesamt nachteilig angesehen wird. Denn ein wesentliches Entwicklungsziel bei sämtlichen Fahrzeugkomponenten besteht darin, das Gewicht und folglich die Masse zu reduzieren.
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Folgerichtig liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, eine derartige Luftleitvorrichtung für ein Fahrzeug so weiterzuentwickeln, dass die Masse bzw. das Gewicht reduziert ist, und zwar bei gleichzeitiger Berücksichtigung der erforderlichen Festigkeit und Steifigkeit.
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Zur Lösung dieser technischen Problemstellung ist eine gattungsgemäße Luftleitvorrichtung im Rahmen der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Montageträger mit eingelagerten sowie den Belastungen folgenden Verstärkungselementen ausgerüstet ist.
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Im Unterschied zum Stand der Technik nach der
DE 10 2008 036 188 A1 mit dem dort bereits angesprochenen Montageträger aus faserverstärktem Kunststoff sind die Verstärkungselemente erfindungsgemäß nicht statistisch gleich, also isotrop, verteilt im Innern des Montageträgers vorgesehen und in diesen eingelagert. Vielmehr greift die Erfindung ausdrücklich auf eine anisotrope Verteilung der Verstärkungselemente im Innern des Montageträgers zurück. Diese anisotrope Verteilung reflektiert die am Montageträger angreifenden Belastungen.
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Tatsächlich wird man die Verstärkungselemente im Montageträger typischerweise so einlagern, dass sie entlang von im Montageträger verlaufenden Spannungslinien bei einer Verformung angeordnet werden. D. h., die Verstärkungselemente folgen im Allgemeinen den Spannungslinien größter Verformung des Montageträgers bzw. weisen entlang dieser Spannungslinien beispielsweise ihre größte Dichte auf. Demgegenüber wird man typischerweise die Dichte der Verstärkungselemente entlang von Spannungslinien geringer Verformung herabsetzen bzw. gänzlich auf Verstärkungselemente verzichten oder verzichten können.
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Der Verlauf der Spannungslinien im Innern des Montagträgers bei einer Verformung kann experimentell durch Messung der jeweiligen Dehnung über beispielsweise Dehnungsmessstreifen erfolgen. Heutzutage wird man jedoch im Allgemeinen eine Simulation der Verformung über die sogenannte Finite-Elemente-Methode vornehmen und auf dieser Basis die Spannungslinien größter zu erwartender Verformung und damit Belastung festlegen. Anhand dieser Spannungslinien im vorzugsweise dreidimensionalen Modell des Montageträgers kann nun die Anordnung der Verstärkungselemente im Innern des Montageträgers bei seiner anschließenden Fertigung festgelegt werden. Außerdem lässt sich die Dichte der Verstärkungselemente variieren, und zwar dergestalt, dass entlang der Spannungslinien mit größter Verformung die Dichte der Verstärkungselemente am größten ist und entlang der Spannungslinien kleinster Verformung am kleinsten.
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Um nun die Verstärkungselemente im Detail im Innern des herzustellenden Montageträgers einzulagern, bestehen verschiedene Möglichkeiten. So ist es denkbar, dass die Verstärkungselemente als Einzelelemente verteilt im Montageträger platziert werden. Wird der Montageträger beispielsweise aus Kunststoff hergestellt, so können die als Einzelelemente ausgebildeten Verstärkungselemente Kunststofffasern sein. Hier haben sich beispielsweise Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern sowie Kombinationen als günstig erwiesen. Die jeweiligen Einzelelemente bzw. Kunststofffasern im Beispielfall werden nun bei der Herstellung des Montageträgers entlang der Spannungslinien orientiert. Dabei kann auch mit einer unterschiedlichen Menge und folglich Dichte der Verstärkungselemente je nach Spannungslinie gearbeitet werden, wie dies zuvor bereits beschrieben wurde.
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Alternativ oder zusätzlich besteht im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass die Verstärkungselemente wenigstens eine zusammenhängende Verstärkungsstruktur im Montageträger definieren. Bei dieser wenigstens einen zusammenhängenden Verstärkungsstruktur kann es sich um eine solche handeln, die zweidimensional ausgebildet ist. Beispielsweise lässt sich die zweidimensional ausgelegte Verstärkungsstruktur als Verstärkungsmatte in die Praxis umsetzen. Bei der Verstärkungsmatte kann es sich beispielsweise um ein zweidimensionales Fasergewebe, ein Faservlies, ein Fasergewirke, ein Fasergestricke oder ein vergleichbares textiles Flächenelement handeln. Grundsätzlich sind natürlich auch Kombinationen denkbar.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass die Verstärkungsstruktur im Innern des Montageträgers dreidimensional ausgelegt ist. In diesem Fall handelt es sich bei der Verstärkungsstruktur vorteilhaft um ein Verstärkungsgerüst. Dieses kann beispielsweise als dreidimensionales Fasergewebe, Faservlies, Fasergewirke, Fasergestricke oder ein vergleichbares dreidimensionales Textilgerüst ausgelegt sein. Insofern sind natürlich auch Kombinationen beispielsweise eines Fasergewebes mit einem Fasergestricke oder einem Faservlies möglich und werden von der Erfindung umfasst.
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Sofern eine zusammenhängende zweidimensionale oder dreidimensionale Verstärkungsstruktur oder auch mehrere solcher Verstärkungsstrukturen zum Einsatz kommen, lassen sich die Verstärkungselemente besonders einfach und vorteilhaft entlang der Spannungslinien im Innern des Montageträgers orientieren und einlagern. Denn die jeweilige Verstärkungsstruktur kann von vorneherein so hergestellt werden, dass sie beispielsweise mit ihren Längsfäden den Spannungslinien folgt, wohingegen den Querfäden hauptsächlich die Aufgabe zukommt, die einzelnen Längsfäden hinsichtlich ihres gegenseitigen Abstandes zueinander festzulegen. Jedenfalls lassen sich beispielsweise Daten einer Spannungsanalyse des Montageträgers auf Basis der Finite-Elemente-Methode automatisch und prinzipiell für die Herstellung der Verstärkungsstruktur nutzen, indem beispielsweise ein Fasergewebe oder Fasergewirke so produziert wird, dass die Längsfäden bzw. Kettfäden entlang der ermittelten Spannungslinien verlaufen, wohingegen den Schussfäden hauptsächlich die Funktion zukommt, den ermittelten Abstand der Längsfäden einzustellen.
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Der Montageträger ist vorteilhaft aus Kunststoff hergestellt, wenngleich im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit besteht, auf andere Materialien wie beispielsweise Aluminium zurückgreifen zu können. Aus Kostengründen und um das Gewicht so gering wie möglich einzustellen, wird man jedoch typischerweise auf Kunststoff zurückgreifen. Dabei kommen üblicherweise Thermoplaste oder auch Duroplaste zum Einsatz. Die Verstärkungselemente sind demgegenüber Kunststofffasern. Hier können hochfeste Kunststofffasern aus beispielsweise Polyester zum Einsatz kommen oder die bereits angesprochenen Glasfasern, Kohlefasern oder auch Aramidfasern einzeln oder in Kombination.
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Für die Herstellung des Montageträgers wird im Allgemeinen so vorgegangen, dass die zuvor angesprochenen Verstärkungselemente mit Kunststoff umspritzt werden. Dabei versteht es sich, dass bei diesem Spritzvorgang die Verstärkungselemente im Innern eines entsprechend gestalteten Spritzgießwerkzeuges entlang der Spannungslinien bzw. den Belastungen folgend orientiert werden müssen. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch so vorgegangen werden, dass die Verstärkungselemente in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden. In diesem Fall wird der Montageträger aus praktisch mehreren Lagen mit jeweils dazwischen eingebrachten Verstärkungselementen hergestellt.
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Eine andere Methode zur Herstellung sieht vor, dass die Verstärkungselemente in den Belastungen folgend verformten Fasereinlagen eingebettet sind, welche ihrerseits den Montageträger im Innern verstärken. Hierbei wird so vorgegangen, dass zunächst die Fasereinlagen hergestellt werden. Die Fasereinlagen verfügen über die in ihrem Innern eingebetteten Verstärkungselemente. Beispielsweise mögen die Verstärkungselemente jeweils in Längserstreckung der beispielsweise zylindrisch oder quaderförmigen Fasereinlage orientiert sein. Anschließend wird die Fasereinlage verformt, und zwar den Spannungslinien im Innern des Montageträgers folgend. Die solchermaßen verformte Fasereinlage dient nun ihrerseits dazu, den Montagekörper im Innern zu verstärken. Dabei kann selbstverständlich mit einer Fasereinlage oder auch mit mehreren verformten Fasereinlagen im Innern des Montageträgers gearbeitet werden.
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Schließlich kann in dem beschriebenen Herstellungsvorgang des Montageträgers auch ein weiterer Schritt dergestalt integriert werden, dass Befestigungselemente zusammen mit den Verstärkungselementen mit Kunststoff umspritzt werden. Die fraglichen Befestigungselemente können alternativ oder zusätzlich aber auch zusammen mit den Verstärkungselementen in die Kunststoffmatrix eingebettet werden. Mit Hilfe der Befestigungselemente lässt sich der solchermaßen hergestellte und ausgerüstete Montageträger anschließend an der Karosserie wie beschrieben montieren. Dabei können die Befestigungselemente nicht nur eine Befestigungsfunktion übernehmen, sondern zusätzlich zur Versteifung des Montageträgers dienen und folglich als zusätzliche Versteifungselemente ergänzend zu den Verstärkungselementen zum Einsatz kommen.
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Im Ergebnis wird eine Luftleitvorrichtung für ein Fahrzeug und insbesondere eine Heckspoilereinheit für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welche sich durch eine einfache Fertigung und optimiertes Gewicht auszeichnet. Das erreicht die Erfindung derart, dass der Montageträger mit anisotrop eingelagerten Verstärkungselementen ausgerüstet wird. Die Anisotropie der Verstärkungselemente im Innern des Montageträgers reflektiert dabei die zu erwartenden Belastungen. Tatsächlich wird man die Verstärkungselemente typischerweise entlang von Spannungslinien größter Verformung des Montageträgers anordnen.
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Dadurch kann die Menge an erforderlichen Verstärkungselementen im Innern des Montageträgers gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert werden. Als Folge hiervon sinkt nicht nur das Gewicht des erfindungsgemäßen Montageträgers gegenüber dem Stand der Technik, sondern ist insgesamt auch mit reduzierten Kosten zu rechnen, weil die Menge an eingebrachten Verstärkungselementen im Vergleich zu bisherigen Vorgehensweisen deutlich sinkt. Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Luftleitvorrichtung schematisch und perspektivisch,
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2 die Luftleitvorrichtung nach 1 mit einer Blickrichtung aus Richtung X von unten und
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3 den Montageträger im Detail.
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In der 1 ist eine Luftleitvorrichtung für ein Fahrzeug und insbesondere Kraftfahrzeug dargestellt. Bei der Luftleitvorrichtung handelt es sich vorliegend um eine Heckspoilereinheit für das besagte Kraftfahrzeug, also eine Montageeinheit inklusive Heckspoiler, die im Heckbereich des Kraftfahrzeuges quer zur Fahrzeuglängsrichtung zwischen Seitenteilen des Fahrzeugaufbaus eingebaut und hier montiert wird. Die Luftleitvorrichtung bzw. Heckspoilereinheit verfügt in ihrem grundsätzlichen Aufbau über einen Montageträger 1 und eine Antriebseinrichtung 2, 3, 4.
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Der Montageträger 1 trägt die Antriebseinrichtung 2, 3, 4 bzw. die Antriebseinrichtung 2, 3, 4 ist an dem Montageträger 1 angeschlossen. Die Antriebseinrichtung 2, 3, 4 setzt sich im Detail aus einem Antriebsmotor 2 und im Beispielfall zwei vom Antriebsmotor 2 ausgehenden Antriebswellen 3 zusammen. Die beiden Antriebswellen 3 arbeiten auf endseitige Lenkereinheiten 4. Drehungen der Antriebswelle bzw. der beidseitigen Antriebswellen 3 korrespondieren dazu, dass die Lenkereinheiten 4 ein angeschlossenes Luftleitelement 5 verstellen. Auf diese Weise kann das Luftleitelement 5 verschiedene Stellungen einnehmen, beispielsweise eine Gebrauchsstellung und eine Nichtgebrauchsstellung.
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Erfindungsgemäß ist der Montageträger 1 ausweislich der Darstellung in der 3 mit eingelagerten Verstärkungselementen 6 ausgerüstet. Die Verstärkungselemente 6 sind entsprechend der Darstellung in der 3 entlang von Spannungslinien 7 orientiert. Diese Spannungslinien 7 stellen die Linien größter Belastung des Montageträgers 1 im Betrieb dar und mögen im Vorfeld durch die einleitend bereits beschriebene Methode der Finiten-Elementen für den betreffenden Montageträger 1 bestimmt worden sein.
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Im Rahmen der Darstellung nach der 3 handelt es sich bei den Verstärkungselementen 6 um einzelne Elemente. Tatsächlich sind die Verstärkungselemente 6 vorliegend als jeweils Kunststofffasern bzw. Glasfasern 6 ausgelegt. Grundsätzlich kann es sich an dieser Stelle auch um Kohlefasern oder Aramidfasern sowie Kombinationen handeln. Jedenfalls folgen die Fasern bzw. Kunststofffasern 6 respektive die Verstärkungselemente 6 den Spannungslinien 7 und folgen damit den im Betrieb auftretenden Belastungen des Montageträgers 1. Dadurch sind die Verstärkungselemente 6 insgesamt anisotrop im Innern des Montageträgers 1 verteilt angeordnet.
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Anhand der 3 erkennt man, dass die Verstärkungselemente bzw. Kunststofffasern 6 nicht nur den dort dargestellten Spannungslinien 7 folgen und entlang der Spannungslinien 7 orientiert sind, sondern auch über eine im Querschnitt unterschiedliche Dichte verfolgen. Tatsächlich ist die Auslegung so getroffen, dass im Bereich der dargestellten Spannungslinien 7 die Dichte der Kunststofffasern 6 am größten ist und mit wachsendem Abstand von der jeweiligen Spannungslinie 7 sinkt. Das ist in der 3 beispielhaft und schematisch angedeutet. Auf diese Weise werden bei dem erfindungsgemäßen Montageträger 1 die Verstärkungselemente 6 tatsächlich nur in den Bereichen positioniert, wo mit den höchsten Belastungen im Betrieb zu rechnen ist. Die auf diese Weise realisierte anisotrope Verteilung der Verstärkungselemente 6 im Inneren des Montageträgers 1 führt dazu, dass vorliegend der Verbrauch an Kunststofffasern 6 gegenüber dem Stand der Technik reduziert ist. Daraus resultieren Gewichts- und Kostenvorteile, wie dies zuvor bereits beschrieben wurde.
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Im rechten Teil der 3 angedeutet ist eine Variante der Erfindung derart, dass die Verstärkungselemente 6 nicht als Einzelelemente verteilt im Innern des Montageträgers 1 angeordnet sind, sondern vielmehr an dieser Stelle wenigstens eine zusammenhängende Verstärkungsstruktur 8 zum Einsatz kommt. Diese Verstärkungsstruktur 8 kann zwei dimensional oder dreidimensional ausgebildet sein. Im dargestellten Beispielfall handelt es sich bei der Verstärkungsstruktur 8 um eine Verstärkungsmatte, die vorliegend als zweidimensionales Fasergewebe 8 ausgebildet ist.
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Tatsächlich setzt sich dieses Fasergewebe 8 aus Längsfäden bzw. Kettfäden 8a und Schussfäden bzw. Querfäden 8b zusammen. Die Längsfäden bzw. Kettfäden 8a sind im Ausführungsbeispiel entlang der Spannungslinien 7 orientiert. Demgegenüber sorgen die Schussfäden bzw. Querfäden 8b überwiegend dafür, dass die Längsfäden respektive Kettfäden 8a den dargestellten Abstand zueinander aufweisen respektive entlang der Spannungslinien 7 orientiert sind.
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Die Verstärkungsstruktur 8 kann nicht nur als zweitdimensionale Verstärkungsmatte ausgebildet sein, sondern genauso gut dreidimensional ausgelegt werden. Das ist vorliegend jedoch nicht dargestellt. Ebenso nicht gezeigt sind Alternativen derart, dass nicht mit einem Fasergewebe 8, sondern einem anderen textilen Flächengebilde gearbeitet wird, beispielsweise einem Faservlies, einem Fasergewirke oder einem Fasergestricke.
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Die Herstellung des dargestellten Montageträgers 1 wird typischerweise so vorgenommen, dass der Montageträger 1 zunächst einmal aus Kunststoff produziert wird. Dabei mag so vorgegangen werden, dass die Verstärkungselemente 6, d. h. also die Einzelelemente oder auch die Verstärkungsstruktur 8 mit dem an dieser Stelle eingesetzten Kunststoff umspritzt wird. Alternativ hierzu ist es aber auch möglich, dass die Verstärkungselemente 6 bzw. die Verstärkungsstruktur 8 in eine Kunststoffmatrix eingebettet wird.
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Eine weitere Alternative sieht vor, dass die Verstärkungselemente 6 in Fasereinlagen 9 eingebettet sind. Das deutet der linke Teil der 3 an. Diese Fasereinlagen 9 werden vor der Herstellung des Montageträgers 1 produziert. Dazu werden die Verstärkungselemente 6 in die fraglichen Fasereinlagen 9 eingebettet, bei denen es sich um Kunststoffformkörper, beispielsweise eine Kunststoffplatte, einen Kunststoffzylinder oder auch einen Kunststoffquader handeln können. Die Fasereinlage 9 wird verformt, und zwar den zu erwartenden Belastungen des Montageträges 1 folgend.
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Dazu wird im allgemeinen so vorgegangen, dass die Verstärkungselemente 6 beispielsweise gleichmäßig in Längserstreckung der betreffenden Fasereinlage 9 in diese eingebettet werden. Anschließend wird die Fasereinlage 9 den Belastungen des Montageträgers 1 folgend verformt, d. h. so, dass die Fasereinlage 9 mit ihren eingebetteten Verstärkungselementen 6 wiederum den Spannungslinien 7 im Innern des Montageträgers 1 folgt. Abschließend wird die betreffende Fasereinlage 9 im Innern des Montageträgers 1 als gleichsam Kern aufgenommen und von beispielsweise Kunststoff umspritzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2007615 B1 [0002]
- DE 102008036188 A1 [0005, 0006, 0010]
