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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Fahrzeuge mit verbesserter Sicht für den Fahrer und insbesondere auf die Entwicklung und Umsetzung einer transparenten Fahrzeug-A-Säule.
Die Verbesserung der Sicht des Fahrers ist ein wichtiges Ziel der Fahrzeughersteller. Ein bekanntes System zur Verbesserung der Sicht des Fahrers ist ein verstellbares Sitzsystem. Derzeitige verstellbare Sitzsysteme ermöglichen dem Benutzer in der Regel die elektronische Einstellung einer Vielzahl von Sitzeigenschaften durch Betätigung eines oder mehrerer Schalter oder Knöpfe. Zu diesen verfügbaren Einstellungen gehören in der Regel die Höhe der Sitzfläche und der Sitzlehne, der Winkel der Sitzfläche und der Sitzlehne sowie der Abstand des Sitzes zum Lenkrad. Durch diese Einstellungen kann der Fahrer seine Sicht durch die Frontscheibe, auf die Instrumententafel und auf die Seitenspiegel verbessern.
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Obwohl diese Sitzsysteme es Fahrern unterschiedlicher Statur ermöglichen, Sitz und Lenkrad so einzustellen, dass eine ausreichende Sicht durch die Frontscheibe, zu den Seitenspiegeln und zum Armaturenbrett gewährleistet ist, bieten sie dem Benutzer dennoch keine ausreichende Sicht auf die toten Winkel, die durch typische Fahrzeugrahmen, wie z.B. die A-Säule des Fahrers, verdeckt werden. Das Unvermögen, Objekte zu lokalisieren, die sonst gesehen würden, mit Ausnahme des toten Winkels, der z.B. durch die Struktur der A-Säule verursacht wird, kann potenzielle Sicherheitsbedenken für den Fahrer, andere Fahrer und Fußgänger hervorrufen.
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Ein anderes Verfahren zur Verbesserung des Sichtfelds des Fahrers besteht darin, die physische Größe von Teilen des darunter liegenden Fahrzeugrahmens zu verringern, z.B. die Breite der A-Säule. Durch die Verringerung der Breite der verschiedenen Fahrzeugsäulen kann der mit diesen Säulen verbundene tote Winkel verkleinert werden. Die Verringerung dieser Säulenbreiten wird jedoch zum Teil durch strukturelle Leistungsanforderungen eingeschränkt. Mit anderen Worten: Beliebig kleine Säulenbreiten sind nicht möglich, ohne die strukturelle Leistung des Fahrzeugrahmens zu beeinträchtigen und die Sicherheit der Insassen negativ zu beeinflussen.
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DE 10 2016 123 208 A1 beschreibt eine Fahrzeugsäulenstruktur mit einem Säulenabschnitt, wobei sich der Säulenabschnitt parallel zu einem Außenseitenendabschnitt in einer Fahrzeugquerrichtung einer Windschutzscheibe erstreckt und, aus einer Längsrichtung des Säulenabschnitts aus gesehen, eine Hohlstruktur hat. Mindestens ein Abschnitt der Außenseitenwand ist ein Außenseitentransparenzabschnitt, und mindestens ein Abschnitt der Innenseitenwand ist ein Innenseitentransparenzabschnitt, der, von einem Fahrer aus gesehen, dem Außenseitentransparenzabschnitt gegenüberliegend angeordnet ist.
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DE 10 2018 105 843 A1 beschreibt eine Fahrzeugsäulenstruktur umfassend einen ersten Rahmenabschnitt, der sich entlang einer ersten Seitenkante in einer Richtung des Fahrzeugs der Breite nach einer vorderen Windschutzscheibe eines Fahrzeugs erstreckt; einen zweiten Rahmenabschnitt, der so bereitgestellt ist, dass er einen Spalt zu einem rückwärtigen Bereich des Fahrzeugs und einer äußeren Seite in der Richtung des Fahrzeugs der Breite nach des ersten Rahmenabschnitts ausbildet, der sich entlang des ersten Rahmenabschnitts erstreckt; und einen Durchsehabschnitt, der ausgebildet ist. um durchzusehen, und der zwischen dem ersten Rahmenabschnitt und dem zweiten Rahmenabschnitt überbrückt.
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DE 10 2019 102 390 A1 beschreibt eine Tarnvorrichtung beinhaltend ein Prisma und einen Lichtleiter. Das Prisma ist an einem Gegenstand befestigt und konfiguriert, um einen Lichtstrahl, der von einem Objekt reflektiert wird, das durch den Gegenstand nicht einsehbar ist. Das Prisma weist eine Objektoberfläche und eine der Objektoberfläche gegenüberliegende Gegenstandsoberfläche auf.
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BESCHREIBUNG
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Aufgabe der Erfindung ist einen Kraftfahrzeugrahmen mit einem verbessertem Sichtfeld bereit zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Kraftfahrzeugrahmen gemäß Anspruch 1.
Zu den hier beschriebenen technischen Verfahren gehören die Herstellung und Konstruktion einer faserverstärkten Fahrzeug-A-Säule mit einer transparenten Öffnung. In einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Kraftfahrzeugrahmen mit verbessertem Sichtfeld hergestellt. Der Kraftfahrzeugrahmen umfasst einen Säulenkörper mit einer Öffnung, die zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden des Säulenkörpers angeordnet ist. Der Kraftfahrzeugrahmen enthält ferner ein durchsichtiges Material, das innerhalb der Öffnung angeordnet ist. Das transparente Material wird aus Materialien mit einem Transmissionskoeffizienten von mindestens 50 Prozent für Licht im infraroten (IR), sichtbaren und ultravioletten (UV) Wellenlängenbereich und einem Brechungsindex zwischen 1 und 2 für sichtbares Licht ausgewählt.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale besteht das transparente Material bei einigen Ausführungsformen aus einem optisch transparenten Polycarbonat. Bei einigen Ausführungen besteht das durchsichtige Material aus Polymethylmethacralat (PMMA). Bei einigen Ausführungsformen wird das transparente Material im Spritzgussverfahren in die Öffnung imprägniert.
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In einigen Ausführungsformen ist die Säule eine A-Säule des Kraftfahrzeugs. In einigen Ausführungsformen besteht die Öffnung aus einer elliptischen Öffnung, die innerhalb der A-Säule zentriert ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Öffnung eine Breite von etwa 40 mm bis etwa 80 mm. In einigen Ausführungen umfasst die Öffnung eine Länge von etwa 200 mm bis etwa 400 mm. Bei einigen Ausführungen weist der Säulenkörper um die Öffnung herum eine Seitenwandbreite von weniger als etwa 75 mm auf.
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Bei einigen Ausführungsformen ist die Widerstandsverdrahtung in das transparente Material eingebettet. In einigen Ausführungen umfasst die Widerstandsverdrahtung eine Wattdichte von mindestens 0,5 Watt pro Quadratzoll. Die Widerstandsverdrahtung sorgt für die Entfeuchtung und/oder Enteisung des optisch transparenten Teils. In einigen Ausführungen bietet die eingebettete Widerstandsverdrahtung eine Transparenzoptimierung für den optisch transparenten Teil. In einigen Ausführungen ist die elektrische Verdrahtung in den Säulenkörper eingebettet. Die elektrische Verdrahtung kann für elektrische Kontinuität über die Öffnung sorgen.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Säulenkörper außerdem eine oder mehrere zusätzliche Öffnungen, die vertikal oder horizontal mit der Öffnung gestapelt sind.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist ein Verfahren zur Bildung eines Kraftfahrzeugrahmens mit verbessertem Sichtfeld vorgesehen. Das Verfahren kann die Bereitstellung eines Säulenkörpers mit einer Öffnung umfassen, die zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden des Säulenkörpers angeordnet ist. Das Verfahren kann auch das Füllen der Öffnung mit einem transparenten Material umfassen. Das transparente Material wird so ausgewählt, dass es einen Transmissionskoeffizienten von mindestens 50 Prozent für Licht im IR-, sichtbaren und UV-Wellenlängenbereich und einen Brechungsindex zwischen 1 und 2 für sichtbares Licht aufweist.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale umfasst bei einigen Ausführungen das Füllen der Öffnung mit einem transparenten Material das Einspritzen des transparenten Materials in die Öffnung bei einer Temperatur von etwa 90 bis etwa 150 Grad Celsius und einem Druck von etwa 1 bar bis etwa 200 bar. Bei einigen Ausführungen ist eine Widerstandsleitung in das transparente Material eingebettet. Die Widerstandsverdrahtung kann eine Wattdichte von mindestens 0,5 Watt pro Quadratzoll aufweisen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verstärkung eines Kraftfahrzeugrahmens mit verbessertem Sichtfeld angeboten. Das Verfahren kann die Bestimmung einer Breite und Länge einer Öffnung in einer Säule des Kraftfahrzeugrahmens umfassen. Das Verfahren kann ferner die Bestimmung der Hauptspannungen für die Säule auf der Grundlage der Breite und der Länge der Öffnung und die Bereitstellung eines Säulenkörpers umfassen, bei dem die Öffnung zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden des Säulenkörpers angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen enthält der Säulenkörper Verstärkungsfasern, die zu Fasersträngen angeordnet sind, die um die Öffnung herum konturiert sind. In einigen Ausführungen sind die Faserstränge entlang der Hauptspannungen ausgerichtet.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale bestehen die Verstärkungsfasern in einigen Ausführungsformen aus Glasfasern, Kohlenstofffasern oder einer Kombination davon. In einigen Ausführungsformen umfasst die Bereitstellung des Säulenkörpers die Bildung eines Epoxidharzes über den Fasersträngen. In einigen Ausführungen ist die Öffnung mit einem transparenten Material gefüllt, das einen Transmissionskoeffizienten von mindestens 50 Prozent für Licht im IR-, sichtbaren und UV-Wellenlängenbereich und einen Brechungsindex zwischen 1 und 2 für sichtbares Licht aufweist.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen aufgenommen werden.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Figuren bezieht, in denen:
- 1 zeigt einen Fahrzeugrahmen aus faserverstärktem Verbundwerkstoff mit einer transparenten Öffnung nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 2 zeigt einen alternativen Fahrzeugrahmen aus faserverstärktem Verbundwerkstoff mit mehreren transparenten Öffnungen nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 3 zeigt eine Anordnung von Verstärkungsfasern, die zu Fasersträngen angeordnet sind, die nach einer oder mehreren Ausführungsformen um eine Öffnung konturiert sind;
- 4 zeigt ein Flussdiagramm einer Illustrationsverfahren nach einer oder mehreren Ausführungsformen; und
- 5 zeigt ein Flussdiagramm einer Illustrationsverfahren nach einer oder mehreren Ausführungsformen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung hat lediglich illustrativen Charakter und ist nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen einzuschränken. Es ist zu verstehen, dass in den Figuren durchgehend entsprechende Bezugsziffern auf ähnliche oder entsprechende Teile und Merkmale hinweisen.
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Zusätzlich wird der Begriff „beispielhaft“ hier verwendet, um „als Beispiel, Instanz oder Illustration zu dienen“. Jede hierin als „beispielhaft“ beschriebene Ausführungsform oder Gestaltung ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Gestaltungen auszulegen. Unter den Begriffen „mindestens eine“ und „eine oder mehrere“ ist jede ganze Zahl größer oder gleich eins zu verstehen, d.h. eins, zwei, drei, vier usw. Die Begriffe „eine Mehrzahl“ umfassen alle ganzzahligen Zahlen größer oder gleich zwei, d.h. zwei, drei, vier, fünf usw. Die Begriffe „eine Mehrzahl“ umfassen alle ganzzahligen Zahlen größer oder gleich zwei, d.h. zwei, drei, vier, fünf usw. Der Begriff „Verbindung“ kann eine indirekte „Verbindung“ und eine direkte „Verbindung“ umfassen.
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Wie hier gezeigt und beschrieben, werden verschiedene Merkmale der Offenbarung vorgestellt. Obwohl ähnliche Bezugsziffern im allgemeinen Sinne verwendet werden können, werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben, und verschiedene Merkmale können Änderungen, Umbauten, Modifikationen usw. umfassen, die von den Fachleuten dem Fachgebiet geschätzt werden, unabhängig davon, ob sie explizit beschrieben sind oder von den Fachleuten der Kunst auf andere Weise geschätzt werden.
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Beschrieben wird hier eine neuartige A-Säule aus faserverstärktem Verbundwerkstoff, die eine oder mehrere gestaltete Öffnungen aufweist, die mit einem transparenten Harz oder Verbundwerkstoff imprägniert sind. Die transparente Öffnung ist so gestaltet, dass das Sichtfeld des Insassen, insbesondere bei Linkskurven, innerhalb der strukturellen Einschränkungen maximiert wird. Die Transparenz wird optimiert, indem elektrische Leitungen in die transparente(n) Öffnung(en) aus Harz oder Verbundwerkstoff eingebettet werden. Die elektrische Verdrahtung ermöglicht es, die Temperatur des Öffnungsmaterials so einzustellen, dass die erforderliche Transparenz erreicht wird (die Transparenz des Verbundwerkstoffs ist temperaturabhängig), und kann zusätzliche Funktionen wie z.B. Entfeuchtung und Enteisung bieten. Die elektrische Verdrahtung wird während des Säulenformens eingebettet, um die Montagekosten zu reduzieren. Die Montagekosten können durch die Einbettung der elektrischen Verdrahtung in den Fahrzeugrahmen weiter gesenkt werden, wodurch die elektrische Integration erleichtert wird.
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Die strukturelle Leistung wird durch Topologieoptimierung und 3D maßgeschneiderte Faserplatzierung erreicht. Mit anderen Worten: Es wird ein faserverstärkter Verbundrahmen bereitgestellt, der die strategische Faserplatzierung um die Öffnung herum nutzt, um die erforderlichen strukturellen Leistungskennzahlen zu erfüllen. Zum Beispiel können computergestützte Konstruktionssimulationen (CAE-Simulationen) verwendet werden, um Belastungspfade zu bestimmen. Die Fasern können dann entlang der Hauptspannungen ausgerichtet werden, um die Festigkeit des faserverstärkten Verbundstoffrahmens zu maximieren.
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Von Vorteil ist, dass eine Säule aus faserverstärktem Verbundwerkstoff mit einer transparenten Öffnung, wie hier beschrieben, die Sicht des Fahrers wesentlich verbessert, ohne dass im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen die physische Größe des darunter liegenden Fahrzeugrahmens reduziert werden muss. Tatsächlich kann die Sicht des Fahrers auch dann verbessert werden, wenn die Breite der Säule vergrößert wird. Zum Beispiel behindert eine herkömmliche 4-Zoll-Säule ein größeres durchgehendes Sichtfeld als eine 7-Zoll-Säule mit einer 2-Zoll-transparenten Öffnung (d.h. 2,5-Zoll-Seitenwände mit einer 2-Zoll-transparenten Mitte).
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Ein Fahrzeugrahmen aus faserverstärktem Verbundwerkstoff gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführung wird in 1 im Allgemeinen mit 100 angegeben. Der Fahrzeugrahmen 100 wird als Rahmen für ein Personenfahrzeug, wie z.B. einen Pkw oder Lkw, dargestellt. Es ist jedoch zu verstehen, dass der Fahrzeugrahmen 100 verschiedene Formen annehmen kann, wie z.B. Automobile, Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge und dergleichen. Es ist ferner zu würdigen, dass, während 1 einen möglichen Fahrzeugrahmen 100 darstellt, der die allgemeinen Komponenten eines Fahrzeugrahmens und die Art und Weise zeigt, in der diese Komponenten miteinander verbunden sein können, der dargestellte Rahmen lediglich ein Beispiel ist und die hier offengelegten Prinzipien nicht erfordern, dass der Fahrzeugrahmen 100 genau wie dargestellt konfiguriert wird.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Fahrzeugrahmen 100 eine A-Säulen-Karosserie 102 und eine Tür 104. Wie zuvor hier beschrieben, kann die A-Säulen-Karosserie 102 einen optisch transparenten Teil 106 enthalten. Wie hierin verwendet, bezieht sich ein „optisch transparenter“ Bereich auf eine Öffnung mit einem Transmissionskoeffizienten von mindestens 50% für Licht mit Energien im infraroten (IR), sichtbaren und ultravioletten (UV) Wellenlängenbereich und einem Brechungsindex zwischen 1 und 2 für sichtbares Licht. Mit anderen Worten, eine optisch transparente Öffnung ist eine klare Öffnung. Zum Beispiel kann ein „optisch transparenter“ Bereich eine Transparenz von etwa 50% bis 100% umfassen.
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Bei einigen Ausführungsformen wird der optisch transparente Teil 106 durch Imprägnieren einer Öffnung im A-Säulenkörper 102 mit einem transparenten Harz oder einem transparenten Verbundmaterial gebildet. Bei einigen Ausführungen wird der Körper 102 der A-Säule mit einem optisch transparenten Polycarbonat imprägniert. In einigen Ausführungen ist der Körper 102 der A-Säule mit Polymethylmethacralat (PMMA) imprägniert. Während der optisch transparente Teil 106 in Bezug auf den A-Säulenkörper 102 gezeigt und beschrieben wird, versteht es sich von selbst, dass andere Säulen (z.B. B-Säule, D-Säule usw.) in ähnlicher Weise mit transparenten Teilen modifiziert werden können.
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Die Transparenz des sichtbaren Lichts nimmt in Abhängigkeit vom Brechungsindex des transparenten Harzes oder des transparenten Verbundmaterials ab. Zum Beispiel entspricht ein Brechungsindex von 1 einer Transparenz von 100 Prozent, während ein Brechungsindex von 2,0 einer Transparenz von 88,9 Prozent entspricht. Der Brechungsindex für Glas beträgt 1,5, während der Brechungsindex für Wasser 1,33 beträgt. Tabelle 1 zeigt die Transparenz eines Harzes oder Verbundmaterials über einen Bereich von Brechungsindizes. TABELLE 1. Brechungsindex und Transparenz (%)
| Brechungsindex | Transparenz (%) |
| 1.0 | 100 |
| 1.1 | 99.3 |
| 1.2 | 99.2 |
| 1.3 | 98.3 |
| 1.4 | 97.2 |
| 1.5 | 96.0 |
| 1.6 | 94.7 |
| 1.7 | 93.3 |
| 1.8 | 91.8 |
| 1.9 | 90.4 |
| 88.9 | |
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Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, variiert die Transparenz eines Harzes oder Kompositmaterials aufgrund von Unterschieden im Brechungsindex des jeweiligen Materials. In einigen Ausführungsformen wird das transparente Harz oder das transparente Verbundmaterial so ausgewählt, dass der Brechungsindex zwischen 1 und 2 liegt. Zum Beispiel hat Polycarbonat einen Brechungsindex von etwa 1,6. PMMA hat einen Brechungsindex von etwa 1,5.
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Bei einigen Ausführungen wird das durchsichtige Harz oder ein durchsichtiges Verbundmaterial durch ein Formverfahren bei einer Temperatur zwischen etwa 90 und etwa 150 Grad Celsius geformt. Bei einigen Ausführungen wird der A-Säulenkörper 102 mit einer Öffnung hergestellt und das transparente Harz oder ein transparentes Verbundmaterial in die Öffnung eingespritzt, um den optisch transparenten Teil 106 zu definieren. Bei einigen Ausführungen variieren die Einspritzdrücke je nach gewünschtem Durchsatz von etwa 1 bar bis etwa 200 bar.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst der optisch transparente Teil 106 eine Länge L und eine Breite W. Der optisch transparente Teil 106 umfasst ferner eine Dicke (nicht dargestellt). Die Abmessungen des optisch transparenten Teils 106 können so gestaltet werden, dass die Sicht des Fahrers innerhalb der zulässigen Beschränkungen des Fahrzeugrahmens 100 (Festigkeit, Druckfestigkeit usw.) maximiert wird. Mit anderen Worten, die maximale Länge L des optisch transparenten Teils 106 ist durch die verfügbare Länge des A-Säulen-Körpers 102 begrenzt. In ähnlicher Weise wird die maximale Breite W des optisch transparenten Teils 106 durch die verfügbare Breite des A-Säulen-Körpers 102 begrenzt (wobei die Platzierung der Verstärkungsfaser 302, wie in 3 dargestellt, weiter möglich ist). Bei einigen Ausführungen beträgt die Gesamtbreite des A-Säulen-Körpers 102 50 mm bis 180 mm (oder etwa 2 Zoll bis etwa 7 Zoll), obwohl andere Breiten im Rahmen der geplanten Offenbarung liegen.
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Wie in 1 dargestellt, erhöht eine Erhöhung des Wertes von W im Verhältnis zur Breite des A-Säulen-Körpers 102 den Anteil des A-Säulen-Körpers 102, der mit transparentem Harz gefüllt ist, wodurch die strukturelle Leistung des A-Säulen-Körpers 102 im Verhältnis zu einem Stahl- oder Aluminium-Grundrahmen verringert wird. Umgekehrt schränkt die Verringerung von W den Gesichtsfeldvorteil ein, der durch den optisch transparenten Teil 106 geboten wird. Folglich muss ein Gleichgewicht gefunden werden, bei dem W groß genug ist, um einen Gesichtsfeldvorteil zu bieten, aber klein genug, damit der A-Säulen-Körper 102 die strukturellen Anforderungen erfüllen kann.
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In einigen Ausführungsformen reicht die Breite W des optisch transparenten Teils 106 von etwa 40 mm bis 80 mm oder etwa 1,5 Zoll bis 4,0 Zoll, obwohl andere Breiten im Rahmen der beabsichtigten Offenbarung liegen. In einigen Ausführungsformen beträgt W etwa 2 bis etwa 3 Zoll für einen Körper 102 der A-Säule mit einer Breite von etwa 4 bis etwa 5 Zoll.
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In einigen Ausführungsformen wird das maximale W-Maß durch sicherheitstechnische Leistungskennzahlen begrenzt, wie z.B. die Mindestanforderungen an Druck und Zug bei Überschlagversuchen. In einigen Ausführungsformen beträgt die maximale W-Dimension etwa 80% der Breite des A-Säulen-Körpers 102, obwohl andere Breiten innerhalb des in Betracht gezogenen Bereichs der Offenbarung liegen.
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Vorteilhaft ist, dass die Gesamtbreite W des A-Säulenkörpers 102 im Vergleich zu herkömmlichen Rahmen vergrößert werden kann und dennoch ein besseres Sichtfeld bietet. Betrachten Sie zur Veranschaulichung eine herkömmliche 4-Zoll-A-Säule und eine 7-Zoll-A-Säule mit einem 3-Zoll-transparenten Bereich, der gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gebildet wird (z.B. ein 3-Zoll-transparenter Bereich, der zwischen zwei 2-Zoll-Säulenseitenwänden zentriert ist). Die 4-Zoll-A-Säule ist zwar kleiner, behindert jedoch ein durchgehendes Sichtfeld von etwa 4 Zoll. Umgekehrt wird die 7-Zoll-A-Säule zwei kontinuierliche Sichtfelder von jeweils etwa 2 Zoll behindern. Mit anderen Worten, ein transparenter Bereich in der A-Säule bietet die Möglichkeit, die A-Säule zu verbreitern und dennoch ein besseres Sichtfeld als bei herkömmlichen Rahmen zu erhalten.
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In einigen Ausführungsformen reicht die Länge L des optisch transparenten Teils 106 von etwa 50 mm bis 400 mm oder von etwa 2 Zoll bis 16 Zoll, obwohl andere Längen im Rahmen der beabsichtigten Offenbarung liegen. In einigen Ausführungsformen wird die Länge L durch den Lastfall der strukturellen Leistungsfähigkeit bei einer Dachstauchung eingeschränkt.
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Wie in 1 dargestellt, erhöht eine Erhöhung des Wertes von L im Verhältnis zur Länge des A-Säulen-Körpers 102 den Anteil des A-Säulen-Körpers 102, der mit transparentem Harz gefüllt ist, wodurch die strukturelle Leistung des A-Säulen-Körpers 102 im Verhältnis zu einem Stahl- oder Aluminium-Grundrahmen verringert wird. Mit anderen Worten, wenn L die Wahrscheinlichkeit eines Versagens (z.B. Knicken) während eines Dachstauchversuchs erhöht, nimmt die Wahrscheinlichkeit eines Versagens proportional zu. Umgekehrt schränkt die Verringerung von L den Gesichtsfeldvorteil ein, der durch den optisch transparenten Teil 106 geboten wird. Ähnlich wie bei der Optimierung der Breite W muss ein Gleichgewicht gefunden werden, bei dem L groß genug ist, um einen Gesichtsfeldvorteil zu bieten, aber klein genug, damit der A-Säulen-Körper 102 die strukturellen Anforderungen erfüllen kann. In einigen Ausführungsformen beträgt die maximale Abmessung L etwa 80% der Länge des Körpers 102 der A-Säule, obwohl andere Längen im Rahmen der geplanten Offenbarung liegen.
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Bei einigen Ausführungsformen ist die Dicke des optisch transparenten Teils 106 im Wesentlichen gleich der Dicke des A-Säulenkörpers 102 („im Wesentlichen gleich“ bedeutet innerhalb der Bearbeitungs- und Einspritzgrenzen, wie z.B. innerhalb von etwa 5 mm oder etwa 2 mm). In einigen Ausführungsformen reicht die Dicke des optisch transparenten Teils 106 von etwa 1 mm bis etwa 5 mm, obwohl andere Dicken im Rahmen der beabsichtigten Offenbarung liegen.
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Wie in 1 gezeigt, kann der optisch transparente Teil 106 innerhalb einer elliptischen Öffnung im A-Säulenkörper 102 gebildet werden. Während elliptische Formen für eine Belastung in der Ebene optimal sind, ist es selbstverständlich, dass transparente Öffnungen mit beliebiger Form im A-Säulenkörper 102 z.B. durch Spritzgießen hergestellt werden können. Bei einigen Ausführungsformen wird der optisch transparente Teil 106 innerhalb eines quadratischen Ausschnitts im A-Säulenkörper 102 geformt. Während quadratische Löcher vor allem an den Ecken Spannungskonzentrationen erzeugen können, lässt sich die Herstellung vereinfachen.
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Um die erforderlichen strukturellen Leistungsdaten zu erfüllen, wird die Verstärkungsfaser 300 um den optisch transparenten Teil 106 (d.h. entlang der gegenüberliegenden Seitenwände des A-Säulen-Körpers 102) angeordnet. Bei einigen Ausführungen entspricht die Breite Wc der Seitenwände der Verstärkungsfaser 302 der halben Breite des A-Säulen-Körpers 102 abzüglich der Breite W des optisch transparenten Teils 106 (d.h. der verbleibenden verfügbaren Breite nach Berücksichtigung des optisch transparenten Teils 106 im A-Säulen-Körper 102). Bei einigen Ausführungsformen ist die Breite Wc der Verstärkungsfaser 302 kleiner als etwa 75 mm (etwa 3 Zoll), obwohl andere Breiten im Rahmen der geplanten Offenbarung liegen. In einigen Ausführungsformen kann die Breite Wc der Verstärkungsfaser 302 weniger als etwa 40 mm (etwa 1,5 Zoll) betragen, z.B. 25 mm (etwa 1 Zoll). Die Anordnung und Ausrichtung der Verstärkungsfaser 302 wird in Bezug auf 3 näher erläutert.
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Die Verstärkungsfaser 302 kann aus bekannten Materialien hergestellt werden, wie z.B. Glasfaser, Kohlefaser, Kevlar oder einer Hybridfaserkombination. In einigen Ausführungsformen werden Verbundwerkstoffe als Material für den optisch transparenten Teil 106 verwendet, und das Material der Verstärkungsfaser wird so gewählt, dass der Brechungsindex der Verstärkungsfaser dem Brechungsindex der Verbundwerkstoffe entspricht (z.B. Polymermatrizen). Eine Brechungsindexanpassung zwischen der Verstärkungsfaser und den Polymermatrizen maximiert vorteilhaft das verfügbare Sichtfeld.
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Bei einigen Ausführungen wird die elektrische Verdrahtung 108 um den optisch transparenten Teil 106 herumgeführt, wodurch eine elektrische Kontinuität zwischen den gegenüberliegenden Enden der A-Säule 102 (und zu abgelegenen Regionen des Fahrzeugs) gewährleistet wird. Die elektrische Verdrahtung 108 kann z.B. zur Übertragung der Leistung und der Signale verwendet werden, die für die elektrische Hardware des Fahrzeugs benötigt werden.
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Bei einigen Ausführungen ist die elektrische Verdrahtung 108 in den Körper 102 der A-Säule eingebettet. Wenn z.B. der A-Säulen-Körper 102 aus Kohlefaser geformt ist, kann die elektrische Verdrahtung 108 in die Kohlefaser eingebettet werden, bevor die Kohlefaser in ein Epoxidharz eingebettet wird (z.B. während des abschließenden Aushärtungsprozesses). Bei einigen Ausführungen wird der A-Säulenkörper 102 unter Verwendung eines leitfähigen Materials, wie z.B. Kohlefaser, geformt, und über der elektrischen Verdrahtung 108 wird ein Isolator angebracht, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern. Zum Beispiel kann ein Glasschleier (nicht abgebildet) verwendet werden, um die elektrische Verdrahtung 108 in einem A-Säulen-Körper 102 aus einem Kohlefasergewebe zu isolieren.
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Ein alternativer Faserverbund-Fahrzeugrahmen in Übereinstimmung mit einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform wird in 2 im Allgemeinen mit 200 angegeben. Der Fahrzeugrahmen 200 wird als Rahmen für ein Personenfahrzeug, wie z.B. einen PKW oder LKW, dargestellt. Es ist jedoch zu verstehen, dass der Fahrzeugrahmen 200 verschiedene Formen annehmen kann, wie z.B. Automobile, Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge und dergleichen. Es ist ferner zu würdigen, dass, während 2 einen möglichen Fahrzeugrahmen 200 darstellt, der die allgemeinen Komponenten eines Fahrzeugrahmens und die Art und Weise zeigt, in der diese Komponenten miteinander verbunden sein können, der dargestellte Rahmen lediglich ein Beispiel ist und die hier offengelegten Prinzipien nicht erfordern, dass der Fahrzeugrahmen 200 genau wie dargestellt konfiguriert wird.
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Der Fahrzeugrahmen 200 kann eine A-Säulen-Karosserie 102 und eine Tür 104 enthalten, die in ähnlicher Weise angeordnet sind wie im Fahrzeugrahmen 100, der in Bezug auf 1 beschrieben ist. Der Fahrzeugrahmen 200 stellt eine alternative Konfiguration dar, bei der mehrere optisch transparente Abschnitte 202 in der A-Säulen-Karosserie 102 gebildet werden, im Gegensatz zu dem einzelnen optisch transparenten Abschnitt 106 im Fahrzeugrahmen 100.
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Wie in 2 gezeigt, können die mehreren optisch transparenten Teile 202 als vertikaler Stapel innerhalb des A-Säulen-Körpers 102 angeordnet werden. Während sie als ein Paar vertikal gestapelter Teile dargestellt sind, ist jedoch davon auszugehen, dass auch andere Konfigurationen möglich sind. Mit anderen Worten, die Anzahl und Ausrichtung der transparenten Bereiche kann angepasst werden, und diese zusätzlichen Anordnungen liegen im Rahmen der geplanten Offenbarung. Zum Beispiel können die mehrfachen optisch transparenten Teile 202 mehr als 2 vertikal gestapelte Öffnungen enthalten, wie z.B. 3, 4, 5 oder eine beliebige andere Anzahl von vertikal gestapelten Öffnungen. In einem anderen Beispiel können die mehrfach optisch transparenten Teile 202 horizontal angeordnet werden (d.h. zwei dünnere transparente Bereiche können nebeneinander angeordnet werden). In einigen Ausführungsformen beträgt die Länge jeder Öffnung in einer Konfiguration mit mehreren Öffnungen zwischen 100 mm und 150 mm, obwohl andere Abmessungen im Rahmen der beabsichtigten Offenbarung liegen.
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Wie in 2 weiter gezeigt wird, kann in einigen Ausführungen die Widerstandsverdrahtung 204 in die optisch transparenten Teile eingebettet werden (z.B. in die mehrfach optisch transparenten Teile 202). Die Widerstandsverdrahtung 204 kann während des Gießens oder Einspritzens der optisch transparenten Teile 202 (oder des optisch transparenten Teils 106 im Falle eines einzelnen transparenten Bereichs) eingebettet werden. Zum Beispiel kann die Widerstandsverdrahtung 204 über die Öffnung(en) im A-Säulenkörper 102 platziert werden, und Harz oder Verbundmaterial kann über die Widerstandsverdrahtung 204 gespritzt werden, um die Öffnung(en) zu füllen.
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Die Einbettung der Widerstandsverdrahtung in den/die optisch transparenten Teil(e) beim Säulenspritzgießen kann die Montagekosten senken und zusätzliche Funktionalität bieten. In einigen Ausführungen sorgt beispielsweise die eingebettete Widerstandsverdrahtung 204 für die Entfeuchtung und/oder Enteisung des/der optisch transparenten Teile(s). In einigen Ausführungen ist die Widerstandsverdrahtung 204 in dem/den optisch transparenten Teil(en) so angeordnet, dass eine Wattdichte (Wärmestrom) von 0,5 Watt pro Quadratzoll erreicht wird, obwohl andere Wattdichten im Rahmen der Offenbarung in Betracht gezogen werden. In einigen Ausführungsformen ist die Widerstandsverdrahtung 204 gleichmäßig (d.h. in einem Gittermuster) über den/die optisch transparenten Teil(e) angeordnet, obwohl andere Konfigurationen innerhalb des betrachteten Bereichs der Offenbarung liegen. In einigen Ausführungsformen ist die Widerstandsverdrahtung 204 eine Wolframverdrahtung. In einigen Ausführungsformen hat die Wolframverdrahtung einen Durchmesser von etwa 12 Mikrometer, obwohl andere Durchmesser im Rahmen der Offenbarung in Betracht gezogen werden.
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In einigen Ausführungsformen bietet die eingebettete Widerstandsverdrahtung 204 eine Transparenzoptimierung für den/die optisch transparenten Teil/e. Die optische Transparenz einiger Verbundwerkstoffe wie z.B. PMMA ist temperaturabhängig. Mit anderen Worten, die Transparenz einiger Verbundwerkstoffe kann abnehmen, wenn die Temperatur unter eine effektive Grenze fällt. Um dies zu korrigieren, wird bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen in dem/den optisch transparenten Teil/Teilen die Widerstandsverdrahtung 204 (z.B. Wolframverdrahtung) verwendet, um die Temperatur des/der optisch transparenten Teils/Teile so einzustellen, dass die erforderliche Transparenz erreicht wird. In einigen Ausführungen hält die Widerstandsverdrahtung 204 eine Mindesttemperatur in dem/den optisch transparenten Teil(en) aufrecht. Die Mindesttemperatur kann eine Schwellentemperatur sein, die erforderlich ist, um die gewünschte Transparenz zu erreichen (z.B. 50%, 85% usw.).
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3 zeigt eine Anordnung von Verstärkungsfasern 300, die zu Fasersträngen 302 angeordnet sind, die um eine Öffnung 304 nach dem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform konturiert sind. Wie zuvor hierin besprochen, kann die Verstärkungsfaser 300 um den optisch transparenten Teil 106 von 1 oder die optisch transparenten Teile 202 von 2 angeordnet werden. Die Verstärkungsfaser 300 sorgt für zusätzliche Festigkeit im A-Säulen-Körper 102, so dass der modifizierte A-Säulen-Körper 102 die erforderlichen strukturellen Leistungskennzahlen erfüllt.
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In einigen Ausführungsformen ist die Verstärkungsfaser 300 in Faserzügen 302 angeordnet, die um die Öffnung 304 herum konturiert sind (z.B. eine transparente Öffnung in einer Fahrzeugsäule), so dass Spannungen strategisch von der Öffnung 304 weg verteilt werden (z.B. entlang gegenüberliegender Seitenwände der A-Säulen-Karosserie 102 und in Richtung Dach und/oder Boden des Fahrzeugs).
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In einigen Ausführungsformen können bekannte Spannungssimulationswerkzeuge wie z.B. eine CAE-Spannungssimulationssoftware (Computer Aided Engineering) verwendet werden, um die Hauptspannungen für eine gewünschte Konfiguration des A-Säulenkörpers 102 zu modellieren (z.B. gesamte Säulenbreite, transparente Öffnungsweite, Länge usw.). In einigen Ausführungsformen wird die Verstärkungsfaser 300, sobald die Orientierung der Hauptspannungen bekannt ist, in Faserzügen 302 angeordnet, die entlang der Linien der bekannten Hauptspannungen orientiert sind. Wie z.B. in 3 dargestellt, wird die Verstärkungsfaser 300 in Fasersträngen 302 (auch Faserbündel genannt) angeordnet, die den Hauptspannungen des A-Säulenkörpers 102 entsprechen. In einigen Ausführungsformen werden die Faserstränge 302 mit der Naht 304 zu einem Fasergeflecht zusammengebunden.
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Bei einigen Ausführungen wird die Verstärkungsfaser 300 nach der Positionierung der Verstärkungsfaser 300 entlang der Hauptspannungen des A-Säulen-Körpers 102 in ein aushärtendes Harz (nicht abgebildet) eingehüllt. In einigen Ausführungsformen enthält das aushärtende Harz ein Epoxidharz, wie es z.B. zum Aushärten von Kohlenstofffasern verwendet wird, obwohl andere Harze in den Bereich der Offenbarung fallen.
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4 zeigt ein Flussdiagramm 400, das ein nicht zur Erfindung gehöriges Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftfahrzeugrahmens mit verbessertem Sichtfeld nach einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt. Wie in Block 802 dargestellt, ist ein Säulenkörper mit einer Öffnung zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden des Säulenkörpers vorgesehen.
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Bei Block 404 ist die Öffnung mit einem transparenten Material gefüllt. In einigen Ausführungen wird das transparente Material aus Materialien mit einem Transmissionskoeffizienten von mindestens 50 Prozent für Licht im infraroten (IR), sichtbaren und ultravioletten (UV) Wellenlängenbereich ausgewählt.
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Bei einigen Ausführungsformen besteht das Füllen der Öffnung mit einem transparenten Material darin, dass das transparente Material bei einer Temperatur von etwa 90 bis etwa 150 Grad Celsius und einem Druck von etwa 1 bar bis etwa 200 bar in die Öffnung gespritzt wird.
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Bei einigen Ausführungsformen ist die Widerstandsverdrahtung in das transparente Material eingebettet. In einigen Ausführungen umfasst die Widerstandsverdrahtung eine Wattdichte von mindestens 0,5 Watt pro Quadratzoll.
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5 zeigt ein Flussdiagramm 500, in dem ein nicht zur Erfindung gehöriges Verfahren zur Verstärkung eines Kraftfahrzeugrahmens mit verbessertem Sichtfeld nach einer oder mehreren Ausführungsformen dargestellt ist. Wie in Block 502 dargestellt, wird die Breite und Länge einer Öffnung in einer Säule des Kraftfahrzeugrahmens bestimmt.
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Im Block 504 werden die Hauptspannungen für den Pfeiler auf der Grundlage der Breite und der Länge der in Block 502 gewählten Öffnung bestimmt.
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Im Block 506 ist ein Säulenkörper vorgesehen, dessen Öffnung zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden des Säulenkörpers liegt. In einigen Ausführungsformen besteht der Säulenkörper aus Verstärkungsfasern, die in um die Öffnung konturierten Faserschleifen angeordnet sind. In einigen Ausführungen sind die Faserstränge entlang der Hauptspannungen ausgerichtet. In einigen Ausführungen bestehen die Verstärkungsfasern aus Glasfasern, Kohlenstofffasern oder einer Kombination davon.
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Bei Block 508 ist die Öffnung mit einem transparenten Material gefüllt. In einigen Ausführungsformen weist das transparente Material einen Transmissionskoeffizienten von mindestens 50 Prozent für Licht im IR-, sichtbaren und UV-Wellenlängenbereich auf. Bei Block 510 wird ein Epoxidharz über den Fasersträngen gebildet.
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Die hier beschriebenen technischen Verfahren ermöglichen Verbesserungen an konventionellen Fahrzeugrahmen, wie z.B. der A-Säule in Automobilen. Die hier beschriebenen technischen Merkmale ergeben einen faserverstärkten Fahrzeugrahmen mit einer transparenten Öffnung. Vorteilhaft ist, dass dieser teilweise transparente Rahmen die Sicht des Fahrers, insbesondere beim Linksabbiegen, erheblich verbessert.
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In Bezug auf die Hardware-Architektur können Teile des Herstellungsprozesses (z.B. CAE-Simulationen der Hauptsäulenspannungen) teilweise unter Verwendung eines Rechengeräts implementiert werden, das einen Prozessor, Speicher und eine oder mehrere Ein- und/oder Ausgabegeräteschnittstelle(n) (I/O) umfassen kann, die über eine lokale Schnittstelle kommunikativ gekoppelt sind. Die lokale Schnittstelle kann zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, einen oder mehrere Busse und/oder andere drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen umfassen. Die lokale Schnittstelle kann zusätzliche Elemente aufweisen, die der Einfachheit halber weggelassen wurden, wie z.B. Controller, Puffer (Caches), Treiber, Repeater und Empfänger zur Ermöglichung der Kommunikation. Ferner kann die lokale Schnittstelle Adress-, Steuer- und/oder Datenverbindungen enthalten, um eine geeignete Kommunikation zwischen den oben genannten Komponenten zu ermöglichen.
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Wenn das Rechengerät in Betrieb ist, kann der Prozessor so konfiguriert werden, dass er im Speicher gespeicherte Software ausführt, Daten zum und vom Speicher kommuniziert und die Operationen des Rechengeräts im Allgemeinen gemäß der Software steuert. Software im Speicher, ganz oder teilweise, wird vom Prozessor gelesen, eventuell im Prozessor gepuffert und dann ausgeführt. Der Prozessor kann eine Hardware-Einrichtung zur Ausführung von Software, insbesondere von im Speicher gespeicherter Software, sein. Der Prozessor kann ein kundenspezifisch angefertigter oder kommerziell erhältlicher Prozessor, eine Zentraleinheit (CPU), ein Hilfsprozessor unter mehreren mit dem Rechengerät verbundenen Prozessoren, ein Mikroprozessor auf Halbleiterbasis (in Form eines Mikrochips oder Chipsatzes) oder allgemein jedes Gerät zur Ausführung von Software sein.
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Der Speicher kann ein beliebiges oder eine Kombination von flüchtigen Speicherelementen (z. B. Arbeitsspeicher (RAM, z. B. DRAM, SRAM, SDRAM, VRAM usw.)) und/oder nichtflüchtigen Speicherelementen (z. B. ROM, Festplatte, CD-ROM usw.) enthalten. Darüber hinaus kann der Speicher elektronische, magnetische, optische und/oder andere Arten von Speichermedien enthalten. Beachten Sie, dass der Speicher auch eine verteilte Architektur haben kann, bei der sich verschiedene Komponenten entfernt voneinander befinden, auf die jedoch vom Prozessor zugegriffen werden kann.
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Die Software im Speicher kann ein oder mehrere separate Programme enthalten, von denen jedes eine geordnete Auflistung von ausführbaren Anweisungen zur Implementierung logischer Funktionen enthält. Eine Systemkomponente, die als Software verkörpert ist, kann auch als Quellprogramm, ausführbares Programm (Objektcode), Skript oder jede andere Einheit, die einen Satz auszuführender Anweisungen enthält, ausgelegt werden. Wenn sie als Quellprogramm konstruiert ist, wird das Programm durch einen Compiler, Assembler, Interpreter oder ähnliches übersetzt, das im Speicher enthalten sein kann oder nicht.
Es ist zu beachten, dass die und Funktionen zeigen, die teilweise mit Software implementiert werden können (z.B. Ermittlung oder Modellierung von Hauptspannungen in einer Fahrzeugsäule). In dieser Hinsicht können einer oder mehrere der Blöcke so interpretiert werden, dass sie ein Modul, ein Segment oder einen Teil des Codes darstellen, der eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Implementierung der spezifizierten logischen Funktion(en) umfasst. Es ist auch zu beachten, dass in einigen alternativen Implementierungen die in den Blöcken angegebenen Funktionen außerhalb der Reihenfolge und/oder überhaupt nicht auftreten können. So können z.B. zwei nacheinander dargestellte Blöcke in der Tat im wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder die Blöcke können manchmal in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden, je nach der betroffenen Funktionalität.
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Es ist zu beachten, dass jede der hier beschriebenen Funktionen in jedem computerlesbaren Medium zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem Befehlsausführungssystem, einer Vorrichtung oder einem Gerät, wie z.B. einem computerbasierten System, einem prozessorhaltigen System oder einem anderen System, das die Befehle von dem Befehlsausführungssystem, der Vorrichtung oder dem Gerät abrufen und die Befehle ausführen kann, verkörpert sein kann. Im Zusammenhang mit diesem Dokument enthält, speichert, kommuniziert, propagiert und/oder transportiert ein „computerlesbares Medium“ das Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Befehlsausführungssystem, -apparat oder -gerät. Bei dem computerlesbaren Medium kann es sich z.B. um ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, einen Apparat oder ein Gerät handeln, ohne darauf beschränkt zu sein. Spezifischere Beispiele (eine nicht erschöpfende Liste) für ein computerlesbares Medium sind eine tragbare Computerdiskette (magnetisch), ein Direktzugriffsspeicher (RAM) (elektronisch), ein Festwertspeicher (ROM) (elektronisch), ein löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EPROM oder Flash-Speicher) (elektronisch) und ein tragbarer Compact-Disc-Festwertspeicher (CDROM) (optisch).
