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Die Erfindung betrifft ein tragendes Bauteil einer Karosserie eines Personenkraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2007 006 722 A1 ist ein tragendes Bauteil einer Karosserie eines Personenkraftfahrzeugs bekannt, das einen Seitenschweller einer Fahrgastzelle mit einem Hecklängsträger des Personenkraftfahrzeugs verbindet. Das tragende Bauteil ist als Gussbauteil ausgebildet, das einen C-förmigen Querschnitt aufweist, der zur Fahrzeugaußenseite hin offen ist. Das nach außen offene, C-förmige Gussbauteil ist mit einem Blechbauteil verschlossen, sodass ein geschlossener Querschnitt vorliegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein tragendes Bauteil einer Karosserie eines Personenkraftfahrzeugs so zu gestalten, dass es einerseits viele Funktionen in sich vereint und andererseits ein geringes Gewicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit einem tragenden Bauteil einer Karosserie eines Personenkraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist ein tragendes Bauteil einer Karosserie eines Personenkraftfahrzeugs zumindest einen flächigen Abschnitt auf, der zumindest in einem Bereich eine Aussparung aufweist. Dabei befindet sich die zumindest eine Aussparung in einem Bereich, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des tragenden Karosseriebauteils in der Karosserie besonders geringen Beanspruchungen ausgesetzt ist.
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Diese Bereiche lassen sich beispielsweise mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode in einem Simulationsprogramm ermitteln. Durch das Vorsehen der zumindest einen Aussparung kann das Gewicht des tragenden Bauteils reduziert werden, ohne seine Steifigkeit spürbar zu beeinträchtigen.
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Bevorzugt ist das tragende Bauteil ein Gussbauteil, das einen Seitenschweller der Fahrgastzelle des Personenkraftfahrzeugs mit einem sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden Hecklängsträger verbindet, der sich hinter der Fahrgastzelle in Fahrzeuglängsrichtung gesehen nach hinten erstreckt. Am hinteren Endbereich des Hecklängsträgers ist ein hinterer Stoßfänger bzw. ein Heckmodul befestigt, das zugleich als hinterer Stoßfänger dient. Das tragende Bauteil verläuft dabei zwischen dem Seitenschweller und dem Hecklängsträger entlang eines Radhauses und bildet zugleich eine Aufnahme für ein Federbein der Hinterachse des Personenkraftfahrzeugs. Dazu kann der Bereich der Aufnahme des Federbeins topfförmig gestaltet sein. Günstigerweise wird der flächige Abschnitt, in dem sich die zumindest eine Aussparung befindet, von einem bogenförmigen Wandabschnitt dieser topfförmigen Federbeinaufnahme gebildet. Insbesondere eignet sich der in Fahrzeugquerrichtung gesehen der Fahrzeugaußenseite zugewandte Wandabschnitt der Federbeinaufnahme für das Vorsehen der zumindest einen Aussparung.
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Das tragende Gussbauteil weist idealerweise zumindest in einem Abschnitt einen C-förmigen Querschnitt auf, der in Fahrzeugquerrichtung gesehen zur Fahrzeugaußenseite hin offen ist. Dieser C-förmige Abschnitt befindet sich bevorzugt im vorderen Bereich, in dem auch der Seitenschweller angebunden ist.
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Idealerweise weist das tragende Bauteil im Bereich des flächigen Abschnitts zumindest auf einer Seite Versteifungsrippen auf, die von dem flächigen Abschnitt abstehen. Die zumindest eine Aussparung befindet sich günstigerweise in einem Bereich, der zwischen mehreren Versteifungsrippen liegt, sodass keine Versteifungsrippe über die Aussparung verläuft. Bevorzugt ist der flächige Abschnitt mit mehreren Versteifungsrippen verstärkt, die sich kreuzen oder eine Art Netz bilden. In diesem Fall ist die zumindest eine Aussparung idealerweise in einem Bereich angeordnet, der vollständig mit Versteifungsrippen umgeben ist.
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Bevorzugt weist das tragende Bauteil zumindest eine Verstärkungsrippe auf, die einen vom tragenden Bauteil abstehenden freien Randbereich aufweist, der dem flächigen Abschnitt gegenüberliegt. Dieser freie Randbereich hat einen bogenförmigen Verlauf, der Abstand zwischen dem tragenden Bauteil und dem freien Randbereich verändert sich somit entlang der Längserstreckung der Verstärkungsrippe kontinuierlich. Der bogenförmige Verlauf ermöglicht gegenüber einer klassischen Versteifungsrippe mit einem geraden Verlauf des freien Randbereichs eine Materialeinsparung. Dazu sind Verstärkungsrippen konkav und/oder konvex gestaltet, sodass die Gestaltung dem Kraftverlauf entspricht. Dies geht mit einer Materialeinsparung an der Versteifungsrippe und somit einer Gewichtsreduzierung des tragenden Bauteils einher, ohne dass damit ein Steifigkeitsverlust verbunden ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das tragende Bauteil eine ringförmige Verstärkungsrippe auf, also eine Rippe, die einen mittleren Bereich vollständig ringförmig umgibt. Zusätzlich können sich weitere Verstärkungsrippen sternförmig von dieser ringförmigen Verstärkungsrippe aus nach außen erstrecken. Eine solche ringförmige Verstärkungsrippe kann gut in sie eingeleitete Kräfte verteilen und über die angrenzenden sternförmig verlaufenden Verstärkungsrippen ableiten.
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Günstigerweise besteht das tragende Bauteil aus einem Leichtmetall. Hierfür bietet sich insbesondere Aluminium, Magnesium oder eine Legierung aus zumindest einem dieser beiden Metalle an. Diese Materialauswahl ermöglicht bei Verwendung der heute zur Verfügung stehenden Legierungen die Gestaltung eines sehr steifen Bauteils, das gegenüber einem vergleichbaren Bauteil aus einem Eisenwerkstoff ein deutlich geringeres Gewicht bei vergleichbarer Steifigkeit aufweist. Auch lässt sich ein solches Bauteil im Druckgussverfahren mit einer hohen Präzision herstellen, es weist also trotz der Größe des Bauteils nur sehr geringe Fertigungstoleranzen auf.
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Idealerweise ist in das tragende Bauteil einteilig zumindest ein Anbindungspunkt für einen Hochvoltspeicher integriert, der sich unterhalb einer Fahrgastzelle befindet. Ein solcher Hochvoltspeicher ist für moderne Fahrzeuge erforderlich, die zumindest auch einen elektrischen Antrieb aufweisen. Dabei muss der Hochvoltspeicher an einer Stelle angeordnet werden, die bei einem Unfall vergleichsweise gut geschützt ist, und die die fahrdynamischen Eigenschaften trotz des hohen Gewichts des Hochvoltspeichers möglichst wenig beeinflusst. Daher werden solche Hochvoltspeicher meist unterhalb der Fahrgastzelle angeordnet. Insbesondere bei einer Ausführung des tragenden Bauteils als Gussbauteil kann auf einfache Weise werkzeugfallend ein Anbindungspunkt für einen Hochvoltspeicher integriert werden. Ein solcher Anbindungspunkt muss aufgrund des hohen Gewichts des Hochvoltspeichers entsprechend steif ausgeführt sein. Der zumindest eine integrierte Anbindungspunkt kann günstigerweise mit Versteifungsrippen lokal verstärkt bzw. abgestützt ausgeführt sein.
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Des Weiteren kann günstigerweise eine Anbindung einer Rückenlehne in dieses tragende Bauteil integriert werden. Zusätzlich oder alternativ kann zudem eine Verstärkung einer Seitenwand des Personenkraftfahrzeugs einstückig mit dem tragenden Bauteil ausgeführt sein. Das tragende Bauteil befindet sich dabei im Übergangsbereich zwischen einem Fahrzeugboden und der Seitenwand. Durch eine steife Gestaltung des tragenden Bauteils wird somit zugleich die Verbindung zwischen dem Fahrzeugboden und der Seitenwand versteift, sodass dieser Bereich bei Torsionsbeanspruchungen in Fahrzeugquerrichtung sich weniger verwinden kann.
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Auch ein Anbindungspunkt für ein Gurtschloss kann idealerweise in das tragende Bauteil integriert werden. Zusätzlich kann dieser Anbindungspunkt mindestens eine lokale Verstärkung aufweisen, die ebenfalls in das tragende Bauteil integriert sein kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden im Detail beschrieben wird. Die einzelnen Figuren zeigen in schematischer Darstellungsweise:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines tragenden Gussbauteils einer Karosserie eines Personenkraftwagens, das einen Seitenschweller mit einem Hecklängsträger verbindet,
- 2 eine weitere perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Gussbauteils,
- 3 eine Draufsicht auf das in 1 und 2 dargestellte Gussbauteil,
- 4 eine Seitenansicht des in 1 bis 3 gezeigten Gussbauteils,
- 5 eine Schnittansicht A - A des in 4 gezeigten Gussbauteils und
- 6 eine Ansicht des in 1 bis 5 gezeigten Gussbauteils von unten.
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In den Figuren ist in verschiedenen Ansichten ein Gussträger 1 dargestellt, der als tragendes Bauteil einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs einen Seitenschweller mit einem Hecklängsträger verbindet. Der Seitenschweller bildet die seitliche untere Begrenzung einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs. Er erstreckt sich in Fahrzeuglängsrichtung x zwischen einem vorderen und einem hinteren Radhaus. Der Gussträger 1 ist mit seinem vorderen Endabschnitt 3 mit einem - in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen - hinteren Bereich des Seitenschwellers verbunden und erstreckt sich entlang des hinteren Radhauses nach hinten. Der hintere Endbereich 2 des Gussträgers 1 ist mit dem vorderen Endabschnitt des Hecklängsträgers verbunden. Der Hecklängsträger erstreckt sich als tragendes Karosseriebauteil hinter dem Fahrgastraum von dem Gussträger 1 aus in Fahrzeuglängsrichtung x nach hinten. An seinem hinteren Ende ist ein hinterer Stoßfänger angebunden. Der Gussträger 1 gleicht dabei auch die unterschiedlichen Lagen des Seitenschwellers und des Hecklängsträgers in Fahrzeugquerrichtung y und in Fahrzeughöhenrichtung z aus.
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Zudem bildet der Gussträger 1 die Aufnahme 4 für ein Federbein des hinteren Rades, das sich in dem hinteren Radhaus befindet, entlang dem sich der Gussträger 1 erstreckt. Diese Aufnahme 4 hat die Form eines Topfes, der nach unten offen ist. Diese topfförmige Aufnahme 4 ist insbesondere in der Ansicht von unten in 6 gut erkennbar. Im Bereich vor der Aufnahme 4 des Federbeins weist der Gussträger 1 im Querschnitt gesehen ein C-förmiges Profil auf, das in Fahrzeug-querrichtung y gesehen - zur Fahrzeugaußenseite hin offen ist, wobei sich in dem C-förmigen Profil mehrere Versteifungsrippen 5 befinden, die insbesondere in der Seitenansicht in 4 gut zu sehen sind. Auch die topfförmige Aufnahme 4 ist mit zahlreichen Versteifungsrippen verstärkt: So befinden sich auf der Oberseite der Aufnahme 4 vier zueinander parallele, in Fahrzeugquerrichtung y verlaufende Verstärkungsrippen 6, die in 2 und 3 zu sehen sind. Auch die umlaufenden Wandabschnitte der topfförmigen Aufnahme 4 sind mit Verstärkungsrippen 7 auf der - in Fahrzeugquerrichtung gesehen - Fahrzeuginnenseite und mit Verstärkungsrippen 8 auf der Fahrzeugaußenseite versteift.
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Im Bereich hinter der Aufnahme 4 weist der Gussträger 1 eine vertikal verlaufende, sich in Fahrzeuglängsrichtung x erstreckende Mittelwand auf, an die oben und unten sich horizontal erstreckende Stege angrenzen, die in Fahrzeugquerrichtung sowohl nach innen als auch nach außen verlaufen. Die Querschnittsform kann also als eine in Fahrzeugquerrichtung y gesehen nach außen offene C-Form beschrieben werden, an die eine nach innen offene C-Form angrenzt. Die Hohlräume beider C-Formen sind mit Verstärkungsrippen versteift.
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Ferner sind in den Gussträger 1 die vordere und die hintere Aufnahme 9 und 10 eines Hinterachsträgers integriert, die insbesondere in der Ansicht von unten in 6 gut erkennbar sind. Auch ein Anbindungspunkt 11 eines unter einer Fahrgastzelle angeordneten Hochvoltspeichers ist in den Gussträger 1 integriert. Ein derartiger Hochvoltspeicher weist ein hohes Gewicht auf, entsprechend solide muss er an die Karosserie angebunden werden. Die Integration eines Anbindungspunktes 11 in den Gussträger ist eine sehr einfache und kostengünstige Möglichkeit, da so eine steife Anbindungsmöglichkeit gegeben ist, ohne dass hierzu zusätzliche Bauteile erforderlich sind. Der eigentliche Anbindungspunkt 11 ist als vom Gussträger 1 abstehender Anschraubdom konzipiert, der zusätzlich mit diagonal verlaufenden Rippen gegenüber dem restlichen Gussträger abgestützt ist. Diese Integration des Anbindungspunkts 11 in den Gussträger 1 ist nur mit minimal mehr Material verbunden, sodass die Integration sehr kostengünstig und nur mit einer geringfügigen Gewichtserhöhung des Gussträgers 1 verbunden ist, die aber geringer als bei anders gestalteten Anbindungsmöglichkeiten ist.
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Des Weiteren ist in den Gussträger 1 eine Anbindung 13 einer hinteren, umklappbaren Sitzlehne integriert. Die Anbindung 13 bildet die entsprechend steif ausgeführte Lagerstelle für die umklappbare Sitzlehne. Die einstückige Integration in den Gussträger ermöglicht eine sehr kostengünstige Realisierung dieser Lagerstelle. Auch ein Anbindungspunkt 16 für ein Gurtschloss ist in den Gussträger 1 einstückig integriert. Dieser Anbindungspunkt 16 weist zusätzlich eine Abstützung über eine Versteifungsrippe auf, die den in Fahrzeugquerrichtung y gesehen nach innen ragenden Anbindungspunkt 16 primär in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen nach vorne abstützt, sodass der Anbindungspunkt 16 auch im Falle eines Crashs die erforderliche Steifigkeit aufweist.
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Zusätzlich weist der Gussträger 1 einen nach oben ragenden Abschnitt auf, der als Verstärkung 14 einer angrenzenden Seitenwand im Bereich einer C-Säule dient. Sowohl bei Personenkraftfahrzeugen der Limousinenbauart wie auch der Kombinationsbauart ist es für die Torsionssteifigkeit der Karosserie wichtig, dass sich die Seitenwand relativ zum Fahrzeugboden möglichst nicht in Fahrzeugquerrichtung y tordieren kann. Durch die in den Gussträger 1 integrierte Verstärkung 14 wird die daran in Fahrzeugquerrichtung y außen angrenzende Seitenwand im Bereich der C-Säule sehr gut verstärkt, sodass die Torsionssteifigkeit in diesem Bereich maßgeblich durch den Gussträger 1 erhöht wird. Zudem kann an der Verstärkung 14 ein weiteres Karosseriebauteil angebunden werden, das sich in Fahrzeughochrichtung z entlang der Seitenwand nach oben erstreckt und so diese versteift. Durch die Verstärkung 14, das weitere Karosseriebauteil und dessen Anbindung an die Verstärkung 14 kann die Torsionssteifigkeit der Karosserie so in diesem Bereich deutlich erhöht werden. Zusätzlich weist der Gussträger 1 eine weitere Verstärkung 17 auf, die sich in Fahrzeuglängsrichtung x hinter der Aufnahme 4 des Federbeins befindet, während die andere Verstärkung 14 in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen vor der Aufnahme 4 des Federbeins angeordnet ist. Diese weitere Verstärkung 17 dient ebenfalls zur Erhöhung der Torsionssteifigkeit zur angrenzenden Seitenwand hin.
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Die Karosserie des Kraftfahrzeugs weist beidseitig jeweils einen solchen Gussträger 1 auf. Der linke Gussträger 1 verbindet den linken Seitenschweller mit dem linken Hecklängsträger, der rechte Gussträger verbindet spiegelbildlich dazu den rechten Seitenschweller mit dem rechten Hecklängsträger.
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Der Gussträger 1 ist als Druckgussbauteil aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung konzipiert. Derartige Druckgussbauteile weisen eine hohe Maßgenauigkeit mit sehr geringen Fertigungstoleranzen auf und bieten die Möglichkeit, zahlreiche Anbauteile und/oder Halter bzw. Aufnahmen für Anbauteile oder andere Karosseriebauteile einteilig zu integrieren. Gegenüber einer klassischen Karosserie, die nur aus Blechbauteilen besteht, trägt der Gussträger 1 damit erheblich dazu bei, die Zahl der Einzelteile der Karosserie zu reduzieren.
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Der Gussträger 1 weist als tragendes Bauteil der Karosserie viele flächige Abschnitte auf, die unterschiedlich stark beansprucht sind. Welche flächigen Abschnitte wie stark belastet sind, kann beispielsweise mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode ermittelt werden. Dabei weist der Gussträger 1 mindestens einen flächigen Abschnitt auf, der nur minimalen Belastungen ausgesetzt ist. Dieser flächige Abschnitt ist der Wandbereich der topfförmigen Aufnahme 4 für das Federbein, der in Fahrzeugquerrichtung y gesehen der Fahrzeugaußenseite zugewandt ist. In diesem vom Wandbereich der topfförmigen Aufnahme gebildeten flächigen Abschnitt des Gussträgers 1 befinden sich drei Aussparungen 12. Da sich diese drei Aussparungen 12 in einem nur geringfügig belasteten Bereich des Gussbauteils 1 befinden, wird dessen Gesamtsteifigkeit durch die Aussparungen 12 nicht beeinträchtigt, das Gewicht des Gussträgers 1 reduziert sich aber durch das Vorsehen der Aussparungen 12. Dies ist eine sehr effektive Möglichkeit zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts des Personenkraftfahrzeugs. Eine solche Gewichtsreduzierung wiederum ist im heutigen Kraftfahrzeugbau ein wesentliches Ziel, um einerseits den Energieverbrauch zu senken und andererseits die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs zu verbessern.
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Eine weitere Möglichkeit zur Gewichtsoptimierung stellt die erfindungsgemäße Gestaltung der Versteifungsrippen 6, 7 und 8 dar: So verlaufen die vier parallel zueinander angeordnete Versteifungsrippen 6 in Fahrzeugquerrichtung und weisen einen konvexen Verlauf auf. Dabei ist der Abstand der vier Versteifungsrippen 6 in Fahrzeuglängsrichtung x jeweils gleich groß. Sie stützen die Federbeinaufnahme 4 gegenüber der - in Fahrzeugquerrichtung y gesehen - Innenseite des Gussträgers 1 ab und versteifen damit den Bereich der Federbeinaufnahme 4. Entsprechend den dabei wirkenden Belastungen sind die Versteifungsrippen 6 hierbei an dem der Fahrzeuginnenseite zugewandten Ende weniger hoch als auf dem der Fahrzeugaußenseite zugewandten Ende. Der der Federbeinaufnahme 4 gegenüberliegende freie Rand der Versteifungsrippen 6 hat dabei einen bogenförmigen konvexen Verlauf, die Höhe der Versteifungsrippen 6 nimmt also zur Fahrzeugaußenseite hinzu.
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Die Versteifungsrippen 7 dagegen, die die Federbeinaufnahme auf der in Fahrzeugquerrichtung y gesehen - der Fahrzeugmitte zugewandten Seite versteifen, weisen einen konkaven Verlauf ihres jeweiligen freien Randbereichs auf. Auch hier sind die Versteifungsrippen 7 beanspruchungsgerecht konzipiert. Gegenüber einer Versteifungsrippe mit einem geraden freien Randbereich kann so Material und damit Gewicht eingespart werden.
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Eine dritte Möglichkeit zur Gewichtsoptimierung stellt die ringförmige Gestaltung zumindest einer Verstärkungsrippe 15 dar. Von der ringförmigen Verstärkungsrippe 15 erstrecken sich zusätzlich sternförmig nach außen laufende weitere Verstärkungsrippen. Hierbei ist es wichtig, dass die ringförmige Verstärkungsrippe umlaufend vollständig geschlossen ist, also einen mittleren Bereich vollständig umgibt. Wenn die ringförmige Verstärkungsrippe 15 kreisrund gestaltet ist, verlaufen die angrenzenden Verstärkungsrippen radial von der ringförmigen Versteifungsrippe 15 nach außen. Diese ringförmige Gestaltung einer Versteifungsrippe 15 ermöglicht eine sehr gute Kraftverteilung auf die angrenzenden Versteifungsrippen, sodass die Versteifungsrippen relativ klein und dünn in Relation zu ihrem Verstärkungseffekt dimensioniert werden können. Die ringförmige Verstärkungsrippe 15 mit ihren sternförmig angrenzenden Verstärkungsrippen ist hier im Bereich des Gussträgers 1 angeordnet, der an den Seitenschweller angrenzt. Die ringförmige Verstärkungsrippe 15 verstärkt somit den Hohlraum des C-förmigen vorderen Abschnitts des Gussträgers 1.
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Eine genaue Analyse der tatsächlichen Beanspruchung des Gussträgers 1 ermöglicht also die Realisierung von Gewichtseinsparungen durch das Vorsehen von Aussparungen 12 in flächigen Bereichen, die besonders gering belastet sind, sowie durch die Optimierung des Verlaufs des freien Randbereichs von Verstärkungsrippen 6 und 7. Die genaue Analyse kann beispielsweise mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode erfolgen, mit deren Hilfe die Belastungen in einzelnen Bereichen des Gussträgers 1 berechnet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007006722 A1 [0002]
