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Die
Erfindung betrifft die Ausgestaltung der tragenden Teile der Frontstruktur
eines Fahrzeugs, um die Anforderungen an den Fußgängerschutz bei gleichzeitiger
Erfüllung
der Anforderungen derselben Frontstruktur an die Steifigkeit, um
ausreichende Sicherheit für
die Fahrzeuginsassen im Fall eines Aufpralls zu gewährleisten.
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Als
nächster
Stand der Technik ist uns die Offenlegungsschrift
DE 199 44 670 A1 bekannt.
Es handelt sich um eine Front-Stossfängeranordnung, die für den Fußgängerschutz
ausgelegt ist. Die vorgeschlagene Lösung ist für die Erreichung einer hohen
Steifigkeit der Stossfängeranordnung
im Offroadbetrieb des Fahrzeugs ausgelegt und soll gleichzeitig
den Anforderungen an die Energieabsorbtion genügen, die für den Fußgängerschutz erforderlich sind.
Die vorgeschlagene Lösung
beinhaltet eine demontierbare Abdeckung, welche im Offroadbetrieb
für die
notwendige Steifigkeit sorgt. Die Lösung ist für den Fußgängeraufprall im Knie- oder
Unterschenkelbereich interessant. Wenn der Aufprall aber im Hüftbereich
erfolgt, würde
der Fußgänger auf
die Motorhaube und den die darunter liegende Frontstruktur auftreffen,
deren mechanische Eigenschaften von der in der
DE 199 44 670 A1 offenbarten
Lösung
nicht in irgendeiner Weise angesprochen werden.
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Als
weiterer Stand der Technik ist eine Frontendstruktur in Hybridbauweise
aus US2002/001780 A1 bekannt. Die Frontendstruktur enthält eine
Verstärkung
aus Fasermaterial oder als Stahlkabel, wobei eine Erhöhung der
Festigkeit der Frontendstruktur erzielt wird. Allerdings gibt es
keinen Hinweis dass diese Verstärkung,
welche als integraler Bestandteil der Frontendstruktur ausgebildet
ist, energieabsorbierende Eigenschaften aufweist. Da ausdrücklich auf
eine Verstärkung
abgestellt ist, handelt es sich in diesem Fall nicht um eine Lösung, welche
für die
Erfüllung
der Anforderungen aus dem Fußgängerschutz
in Betracht zu ziehen ist.
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Die
Erfüllung
der Anforderungen an den Fußgängerschutz
infolge eines Hüftaufpralls
erfordert energieabsorbierende Eigenschaften der Frontstruktur,
während
die Schlossausreißkraft
im allgemeinen hohe Anforderungen an die Steifigkeit der Frontstruktur
stellt.
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Um
ein Ausklinken des Haubenhakens aus dem Schloss zu verhindern, muss
die Frontstruktur, also der Frontendträger in Zugrichtung (Biegung
nach oben) sehr steif ausgelegt werden.
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Im
Gegensatz dazu muss der gleiche Bereich beim Aufprall der Fußgängerhüfte auf
Druck (Biegung nach unten) sehr weich gestaltet sein, um die Verletzungsgefahr
zu minimieren.
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Zusätzlich zu
den Anforderungen an den Fußgängerschutz
infolge eines Hüftaufpralls
ist es erforderlich, dass der Frontendträger während des High-Speed-Crashs
sehr hohe Zugbelastungen aufnehmen muss, um die Integrität des Vorderwagens
zu wahren. Dies resultiert häufig
in steifen Trägerstrukturen,
welche der Anforderung beim Hüftaufprall
widersprechen.
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Die
Struktur des KFZ-Vorderwagens wird durch druckentlastete Zugstäbe so ausgelegt,
dass einander widersprechende Steifigkeitsanforderungen trotzdem
erreicht werden können,
so wird es z.B. möglich,
ein Bauteil auf Zugbeanspruchung steif auszulegen und dasselbe Bauteil
in entgegengesetzter Richtung, also bei Beanspruchung auf Druck,
sehr weich zu gestalten.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Konzept zur Erzielung unterschiedlicher
Steifigkeiten einer Kfz-Vorderwagenstruktur in Abhängigkeit
von der Belastungsrichtung zur Erfüllung von Fußgängerschutz-,
Steifigkeits- und Highspeed-Crash-Anforderungen zu realisieren.
Dabei ist eine ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten, damit die Schlossausreißkraft nicht
unter den erforderlichen Wert absinkt, aber der Fußgängerschutz, insbesondere
bei Hüftaufprall,
gewährleistet
ist. Durch Einbringung eines ganz, oder teilweise in Zugrichtung liegenden
Zugelements, wie eines Zugstabes, wird die beschriebene Zugbelastung
aufgenommen. Der geometrische Aufbau des Zugelements, welches als
Draht, Band, Seil, Kette, Faserstrang, Gewebeband, Knickstab, einseitig
eingreifende Verrastung, Kühlmodul
mit entsprechend integrierter Funktion oder dergleichen ausgestaltet
sein kann, und dessen Querschnittswerte sind so gewählt, dass
es unter Druckbelastung ausweicht bzw. der Druckkraft keinen nennenswerten
Widerstand entgegen setzt. Alternativ dazu verschieben sich Zugelemente
gegeneinander oder knicken aus, sodass der Druckbelastung durch
den Zugstab ein im Vergleich zur Zugbelastung niedrigerer Widerstand
entgegengesetzt wird.
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Nach
dem vorgehend beschriebenen Prinzip wird somit gewährleistet,
dass die Zugbelastungen aufgenommen werden, während der dazu eingebrachte
Zugstab auf Biegung sehr weich ist.
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1 stellt
eine unbelastete Frontstruktur nach einem ersten Ausführungsbeispiel
dar
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2 stellt
eine unbelastete Frontstruktur nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
dar
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3 stellt
eine unbelastete Frontstruktur nach einem dritten Ausführungsbeispiel
dar
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4 stellt
eine unbelastete Frontstruktur nach einem vierten Ausführungsbeispiel
dar
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5 stellt
eine unbelastete Frontstruktur nach einem fünften Ausführungsbeispiel dar
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6 stellt
eine unbelastete Frontstruktur nach einem sechsten Ausführungsbeispiel
dar
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1 stellt
eine Frontstruktur eines Fahrzeugs dar. Eine derartige Frontstruktur
ist der tragende Bestandteil für
Einbauten im Frontbereich eines Fahrzeugs, wie beispielsweise Scheinwerfern,
Kühlergrill,
Zierelementen, Stossfängern,
Frontspoilern. Die Frontstruktur kann als ein Metallbauteil, ein
Kunststoffbauteil oder Hybridbauteil ausgebildet sein und muss eine
genügend
große
Steifigkeit aufweisen, um den normalen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs
verformungsfrei stand halten zu können. Die durch den Betrieb
des Fahrzeugs auf die Frontstruktur wirkenden Kräfte umfassen Windkräfte, Gewichtskräfte der
Einbauten, Kräfte
aus dem meist in der Frontstruktur angebrachten Verschlussmechanismus
der vorderseitigen Fahrzeugabdeckung. Gleichzeitig soll dieselbe
Frontstruktur im Fall eines Aufpralls des Fahrzeugs auf ein Objekt
energieabsorbierende Eigenschaften entwickeln und insbesondere im
Rahmen des Fußgängerschutzes
einen Aufprall so abzufangen, dass die Verletzungsgefahr auf ein
Minimum reduziert wird. Die Erfüllung
der Forderungen nach energieabsorbierenden Eigenschaften für die Frontstruktur
wird im allgemeinen durch den Einbau von energieabsorbierenden Elementen,
so genannten Crashabsorbern, erfüllt,
welche nicht Gegenstand dieser Erfindung sein sollen. Energieabsorbierende
Elemente sind einerseits direkt an den Stossfängern oder Stossfängerverkleidungen
vorgesehen oder als elastische Zwischenschicht zwischen Stossfänger und
Längs-
oder Querträgern
angebracht. Zusätzlich
oder alternativ dazu enthalten die Längsträger faltbare Elemente, welche einen
Aufprall des Fahrzeugs bei höheren
Geschwindigkeiten dämpfen.
In allen Fällen
verläuft
die Hauptkraftrichtung horizontal entgegen der Fahrtrichtung oder
zumindest schräg
der Fahrtrichtung. Der Effekt dieser Kraft aus dem Aufprall auf
die Frontstruktur ist vergleichbar mit der Wirkung einer Kraft auf
einen Biegeträger. Zumindest
der obere Bereich 3 dieses Biegeträgers wird einem Biegemoment
ausgesetzt, welches als Zugspannung auf einen Teil des Querschnittes
des Biegeträgers
wirkt. Durch Einbringung eines ganz, oder teilweise in Zugrichtung
liegenden Zugelements wird die beschriebene Zugspannung oder Zugbelastung
aufgenommen.
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Die
mögliche
Lage der Zugelemente ist abhängig
von der gewählten
Konstruktion der Frontstruktur. Grundsätzlich erfolgt eine Versteifung
gegenüber
Zugbelastung bei im wesentlichen horizontalen Einbau des Zugelements.
Oder mit anderen Worten bewirkt das Zugelement eine Erhöhung der
Zugsteifigkeit, das heißt, die
durch das Bauteil aufzunehmende Zugkraft erhöht sich gegenüber dem
unverstärkten
oberen Bereich der Frontstruktur.
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Soll
eine vertikale Zugbelastung ebenfalls in Betracht gezogen werden,
werden die Zugelemente 2 in im wesentlichen vertikaler
Richtung angeordnet. Eine Steifigkeit gegenüber vertikal gerichteten Zugkräften ist erforderlich,
wenn die Frontstruktur über
eine Schließverbindung
für eine
Fahrzeugabdeckung, wie ein Haubenschloss für eine Motorhaube verfügt.
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Der
geometrische Aufbau des Zugelements 2 ist beispielsweise
in folgenden Ausführungen
vorstellbar, aber nicht auf diese beschränkt: Draht, Band, Seil, Kette,
Faserstrang, Gewebeband, Knickstab, einseitig eingreifende Verrastung.
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Die
Querschnittswerte sind so gewählt,
dass das Zugelement unter der beim Hüftaufprall auftretenden Druckbelastung
ausweicht. Dieses Ausweichen erfolgt insbesondere bei Drähten, Bändern, Seilen,
Ketten, Fasersträngen
oder Gewebebändern
oder ähnlichen
Zugelementen ohne eigene Biegesteifigkeit. In einer Ausführung des
Zugelements als Zugstab, welcher aus einzelnen Elementen besteht,
verschieben sich die einzelnen Elemente gegeneinander. Diese Ausführung kann
beispielsweise einen Zugstab umfassen, der aus mehreren, teleskopartig
ineinander verschiebbaren Elementen unterschiedlichen Querschnitts
besteht. In einer anderen Ausführung
enthält
der biegesteife Zugstab Knickstellen, welche ein definiertes Ausknicken
an diesen dafür
vorgesehenen Knickstellen bewirken. Der Druckbelastung wird somit
durch das Zugelement oder den Zugstab ein im Vergleich zur Zugbelastung
niedrigerer Widerstand entgegengesetzt.
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Die
Funktion des Systems ist zunächst
nicht an die Verwendung bestimmter Materialien gekoppelt, um Gewicht
und Bauraum niedrig zu halten, allerdings sind jedoch speziell bei
Verwendung von Seilen, Drähten, Ketten,
Fasersträngen
und Gewebebändern
Materialien mit höherem
E-Modul im Vergleich zum Material der Frontstruktur sinnvoll. Im
speziellen sind hierbei die Materialien Stahl, Aluminium und Metalle
im Allgemeinen, Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, sonstige
organische Fasern, z.B. Spinnenproteinfasern etc. zu nennen.
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2 stellt
eine unbelastete Frontstruktur nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
dar Wie im ersten Ausführungsbeispiel
ist das Zugelement als biegeschlaffes Zugseil oder dergleichen ausgebildet.
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Um
eine sichere Krafteinleitung zu gewährleisten, wird das Zugelement
an den Verbindungspunkten zur Frontstruktur und/oder zur Karosserie
formschlüssig
mit den jeweiligen Befestigungselementen verbunden. Dies kann bei
Verwendung von Seilen, oder Drähten,
z.B. durch Umschlingen des Schraubpunktes erfolgen. Insbesondere
kommt diese Ausführungsform
in der in 3 dargestellten Variante zum
Einsatz. 3 stellt eine unbelastete Frontstruktur
nach einem dritten Ausführungsbeispiel
dar Diese Frontstruktur ist mit einem Zugelement versehen, welches
in den oberen Bereich der Frontstruktur integriert ist.
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Die
Befestigung des Zugelements kann in einer ersten Ausführungsform
durch Einbringung desselben während
des Herstellungsprozesses der Frontstruktur erfolgen. Das Zugelement
wird z.B. vollständig,
oder teilweise umspritzt, oder umpresst, wenn die Frontstruktur
zumindest teilweise aus Kunststoff besteht.
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Alternativ
dazu bietet sich eine separate Montage des Zugelements an, insbesondere
wenn die Frontstruktur aus einem metallischen Werkstoff, wie Stahl
oder Magnesium besteht.
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Das
Zugelement wird als separates Bauteil mit der Frontstruktur 1 verbunden,
wobei beispielsweise nachfolgende Verfahren zum Einsatz kommen können: schrauben,
clipsen, klemmen, kleben, schweißen, heißumformen, nieten.
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Die
schon erwähnte
Umschlingung des Schraubpunktes erfolgt im oberen Endbereich der
Frontstruktur. Das biegeschlaffe Zugelement 2 wird durch
mindestens 2 Öffnungen 12 geführt und
dann befestigt.
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4 stellt
eine unbelastete Frontstruktur nach einem vierten Ausführungsbeispiel
dar. Nach diesem Ausführungsbeispiel
wird ein Zugelement 2 zwar ebenfalls in den oberen Bereich 3 der
Frontstruktur integriert, allerdings wirkt das Zugelement zusätzlich versteifend
bei Zugkräften
in vertikaler Richtung oder z-Richtung. Diese Steifigkeit ist notwendig,
wenn im oberen Bereich der Frontstruktur ein Schließmechanismus 4,
wie beispielsweise ein Haubenschloss, eingebaut werden soll. Der
Schließmechanismus
wird bei Öffnung
der Verkleidung für
die Motorhaube oder einen Stauraum entriegelt und dabei Zugkräften ausgesetzt.
Umgekehrt schnappt das Schließelement
auf der Verkleidung in den in der Frontstruktur eingebauten Schließmechanismus
ein, sodass auf den Schließmechanismus
und dementsprechend auf die Frontstruktur keine großen Druckkräfte wirken.
Somit ist eine zusätzliche
Versteifung im oberen Bereich der Frontstruktur nicht unbedingt erforderlich.
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5 stellt
eine unbelastete Frontstruktur nach einem fünften Ausführungsbeispiel dar, in welchem eine
Kombination einiger vorhergehender Zugelemente dargestellt ist, welche
an verschiedenen Stellen der Frontstruktur befestigt sind oder in
dieselbe integriert sind.
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6 stellt
eine unbelastete Frontstruktur nach einem sechsten Ausführungsbeispiel
dar, in weichem die Frontendstruktur mit Einbauten versehen ist.
Exemplarisch ist ein Kühlmodul
dargestellt.
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Die
gleiche Funktion (steif auf Zug, weich auf Druck) kann auch mit
in das Anbindungskonzept des Kühlmoduls
integriert werden.
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Statische
Steifigkeitsuntersuchungen haben gezeigt, dass bei einer vertikalen
Aussteifung des Frontendträgers
durch eine Zugverbindung gleichen Materials die Zugsteifigkeit um
das 3-fache zugenommen hat.
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Bei
Hüftaufprallversuchen
der gleichen Konfiguration hat lediglich das Entfernen des Druckstabes ohne
weitere Modifikation, z.B. der Motorhaube, sofort eine Verbesserung
der Ergebnisse um 10% erbracht.
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Insbesondere
wurden quasistatische Zugversuche durchgeführt, die den gewünschten
Effekt der Erfindung bestätigen.
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Bei
dem Frontendträger
handelt es sich um ein Bauteil mit einem Bauteilgewicht von 5530
g, aus PA GF 30 (Bayer Durethan BKV 30 H2.0) / 3 mm und Stahl 0,8
mm. Es handelt sich um ein Prozesshybrid (Stahl und Kunststoff SG)
wobei die Hauptanbindung des Zugelements an der Frontstruktur in
X-Richtung (Richtung des sich bewegenden Fahrzeugs) erfolgt.
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Tabelle
1 VARIANTENBESCHREIBUNG
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Variante
01 liegt allen weiteren Varianten zugrunde. Die Stahlblecheinleger
des umspritzten Hybridträgers
sind in 3 oder 4 nicht
gekennzeichnet. Die Einleger verbinden die Kotflügelbänke oben, sowie die Längsträger unten.
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Der
untere Einleger ist für
diese Variante erforderlich, da in diesem Bereich die Drehmomentabstützung des
quer eingebauten Motors erfolgt.
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Die
Variante 02 entspricht der Einbausituation im Fahrzeug. Die Lüfterzarge 5 aus
PA GF30 ist umlaufend an 8 Punkten 6 fest mit dem Frontendträger verschraubt
Bei Variante 03 wurde der obere Querträger mit dem unteren Querträger bei
Y=0 mit einem handelsüblichen
Stahlseil mit einem Durchmesser von 3mm verbunden.
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Die
Schlaufen an den Seilenden wurden oben an einer Nietmutter der Lüfterzargenanbindung
und unten an einer Nietmutter der Drehmomentabstützung geschraubt.
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Das
Stahlseil wurde in Variante 04 zweimal am unteren Querträger angeschraubt
und am oberen Querträger über die
beiden mittleren Anschraubpunkte umgelenkt. Die Seile liegen somit
nicht direkt in Richtung der Krafteinleitung. Um eine gleichmäßige Kraftverteilung
auf beide Seiten zu gewährleisten,
wurde das Seil an der oberen Befestigung beweglich geführt (1).
Die Verschraubung der Seilenden erfolgte an den beiden unteren Nietmuttern
der Lüfterzargenbefestigung.
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Der
Prüfaufbau
soll im folgenden kurz beschrieben werden. Die Frontstruktur, in
diesem Versuch ein Frontendträger,
wurde in Fahrzeuglage an den dem Realeinbau entsprechenden Stellen
fest mit der Prüfvorrichtung
verschraubt. Die Vorrichtung besteht aus einem Rahmen mit mehreren
Verbindungspunkten, welche in Vertikalrichtung (Z-Richtung) linksseitig
und rechtsseitig zur Kotflügelbank
liegen und im unteren Bereich linksseitig und rechtsseitig zwischen
Crashblock und Längsträger eingespannt
sind.
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Das
Zugkraft wurde bei Variante 01 über
einen steifen Schlossadapter bei den Varianten 02 bis 04 mittels
einer Zugöse
am Originalschloss eingeleitet.
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Die
Prüfkraft
in Höhe
von 1500N in positiver Z-Richtung greift in der Trägermitte
(Koordinate Y=0 in einem rechtwinkeligen Koordinatensystem) an.
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Die
Kraft ist ausreichend groß gewählt, um
eine Aussage über
die Steifigkeit des Frontendträgers
zu erhalten, ohne dass Verformungen, Risse etc. auftreten
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An
den in 1 gekennzeichneten Punkten werden die Messwerte,
bei anliegender Vorkraft, bei Maximalbelastung, sowie nach erneutem
Anlegen der Vorkraft aufgenommen.
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Die
maximale Verformung tritt bei Y=0 auf und errechnet sich aus den
Messwerten 7-8 Die Steifigkeit errechnet sich aus der Differenz
aus Prüfkraft
und Vorkraft, geteilt durch die Differenz der Messwerte unter Prüfkraft und
nach Entlastung.
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Die
Steifigkeit wird somit in Kraft pro Verschiebung mit der Einheit
N/mm angegeben.
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Die
Steifigkeit der Schlossträger
soll in einem Lastbereich von 1300N/mm bis 2000N/mm liegen, wobei zu
beachten ist, dass diese Anforderung sich auf ein komplett bestücktes Modul
mit allen Anbauteilen bezieht. Das bedeutet aber nichts anderes,
als dass die beschriebene Prüfung
unter wesentlich ungünstigeren
Bedingungen vorgenommen wurde und es somit durch das bestückte Modul
zu einer wesentlichen Erhöhung
der Werte für
die Steifigkeit kommen wird.
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On
der Prüfung
wurde nur die Zugprüfung
durchgeführt,
da sich jedoch die Verformungen im linear elastischen Bereich befinden,
kann für
die Druckbelastung der gleiche Wert wie unter Zugbelastung angenommen
werden.
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In
Tabelle 2 sind die auf den maximalen Durchbiegungen resultierenden
Steifigkeiten aller vier Varianten gegenübergestellt.
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- 1
- Frontstruktur
- 2
- Zugelement
- 3
- oberer
Bereich
- 4
- Schließmechanismus
- 5
- Lüfterzarge
- 6
- Anbindungspunkt
- 7
- Messpunkt
- 8
- Messpunkt
- 9
- Messpunkt
- 10
- Messpunkt
- 11
- Messpunkt
- 12
- Öffnung
