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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNG
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Diese
Anmeldung beansprucht den Vorteil einer vorläufigen Anmeldung
nach 35 U.S.C. § 119 (e), Seriennummer 60/862,688, die
am 24. Oktober 2006 mit dem Titel B-förmiger Träger
mit integral ausgebildeten Rippe angemeldet wurde.
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HINTERGRUND
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Diese
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen B-förmigen
Träger mit einer oder mehreren Rippen, die integral in
seiner Vorderwand über seine Rohrabschnitte gebildet sind,
um die effektive Biegefestigkeit, die Stabilität der Vorderwand
und die gesamte Biegestabilität, und die Konsistenz und
die Effizienz der Aufprallenergieabsorption zu verbessern.
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B-förmigen
Stoßstangenverstärkungsträger (nachstehend
als „B-Träger” genannt) sind seit vielen Jahren
in Fahrzeugstoßstangen verwendet. Zum Beispiel siehe
US-Patentschrift Nr. 5,395,036 von Sturrus,
in der der Querschnitt eines B-Trägers relativ flache Wände
umfasst, die zwei Rohren bilden, eine über die andere bei
einer Fahrzeug-Montageposition beanstandet angeordnet. Teil des
Grunds für den Erfolg dieses B-förmigen Trägers
beruht darauf, dass wenn der Träger an einem Fahrzeug-Längsträgerkontakten
montiert ist, umfasst er vier horizontal gestreckte Wände,
die eine ausgezeichnete Biegefestigkeit und Aufprallbeständigkeit
in einer Längs-/horizontalen Richtung des Aufpralls bieten.
Allerdings werden moderne Fahrzeuge so ausgelegt, dass sie weniger „Knautschzone” für
Stoßstangen umfassen, und es wird zunehmend schwieriger
eine ausreichende Trägerfestigkeit und Aufprallsbeständigkeit
zu schaffen, wenn die Größe und/oder die Tiefe
eines Front(oder Rück-)Stoßstangenträgers
eines Fahrzeugs zu solchen kleinen „Knautschzonen” begrenzt ist.
Ferner zeigt unsere Prüfung, dass die effektive Biegefestigkeit
der den in der Sturrus
'036 Patentschrift
gezeigten ähnlichen B-Träger überraschend weit
unterhalb seiner erwarteten theoretischen Aufprallsfestigkeit fällt.
Diese Diskrepanz zwischen theoretischer und effektiver Aufprallsfestigkeit
wird für B Träger mit relativ geringer Wanddicke
(insbesondere im Bereich von 2,2 mm bis 1,4 mm oder dünner)
und bei Verwendung der hochfesten Stähle (z. B. mit einer
Zugfestigkeit von 80 KSI, 120 KSI oder sogar 190 KSI) größer.
Besonders werden dünnere Wände und Materialien
mit höherer Festigkeit oft verwendet um ein Gewicht der
B-Träger und Stoßstangensysteme zu reduzieren.
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Unsere
Untersuchung dieses Problems hat gezeigt, dass eine Mehrheit der
B-förmigen Stoßstangenverstärkungsträger
in der jetzigen Produktion und an Personenfahrzeugen in den USA
eine vertikal-lineare Vorderwand aufweisen, wobei viele dem in der
Sturrus
'036 Patentschrift
gezeigten B-Träger sehr ähnlich sind. Mit „vertikal
linear” meinen wir, dass ein vertikal quer verlaufender
Querschnitt durch den B-Träger die Vorderwand zeigt, die
sowohl vertikal als auch linear ist. Insbesondere ist der hier verwendete
Begriff „vertikal-linear” dazu vorgesehen, um
die Vorderwand eines B- Trägers mitsamt der Vorderwand der
lang gezogenen, geraden Träger oder der längs
ausgebogenen Träger (d. h. Träger, die gekrümmt
sind, um sich einer aerodynamisch gekrümmten Vorderseite
eines Fahrzeugs anzupassen) zu beschreiben.
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Beim
Versuch die Gründe zu verstehen, wieso Vorderwände
der „traditionellen B-Träger” einen vertikal
linearen quer verlaufenden Querschnitt aufweisen, kommt es uns so
vor, dass Fachhandwerker glauben, dass es verschiedene Gründe
gibt um einen Kanal oder Rippen in eine Frontwand eines B-Trägers
nicht zu bilden. Wir beziehen uns auf das „konventionelle
Denken”. Zum Beispiel ist das konventionelle Denken das,
dass die Vorderwand eines B-Trägers keine Stabilisierung
braucht, da die horizontalen Wände selbst in erster Linie
eine Aufprallsbeständigkeit und Energieabsorption zu erbringen
haben. Insofern die Vorderwand keine Stabilisierung braucht, scheint
das konventionelle Denken zu sein, dass die Vorderwand schon durch
die mittleren zwei horizontalen Wände stabilisiert ist,
die einen Mittelbereich einer vertikallinearen Vorderwand einnehmen.
Ferner sind die nicht gestützten Spannweiten der Vorderwand
(d. h. diese Teilbereiche, die eine Vorderseite der oberen und unteren
Rohrabschnitte bilden) sehr kurz und brauchen keine Stabilisierung
(basierend auf dem konventionellen Denken). Weiterhin unter dem
konventionellen Denken würde es scheinen, dass die Vorderwand,
die sich linear zwischen der oberen und unteren Kante der horizontalen
Wände erstreckt, mehr Stabilität an den horizontalen
Wänden bietet, da sie in erster Linie wirkt um die Vorderränder
der horizontalen Wänden zu stabilisieren, wenn die Vorderwand
deformiert wurde, um nichtlinear zu sein (Mit anderen Worten, wenn
die Vorderwand so deformiert wurde, dass sie nichtlinear sei, konnte
sich die Vorderwand in Richtung einer linearen Stellung während
des Aufpralls „strecken”, was wiederum den Rändern
der horizontalen Wände erlaubt, sich um einen kleinen Betrag
zu bewegen und somit möglicherweise dies zu bewirken, dass
sie weniger stabil sind.). Weiterhin fügt ein zusätzliches
Formen in einem B-Träger Prozessvariabel und Kosten hinzu.
Im Wesentlichen (laut dem konventionellen Denken) würde
eine Bildung einer Rippe in einer Vorderwand Kosten und Prozesskomplexität
hinzufügen ohne jegliche wesentliche zusätzliche
Vorteile in dem Endprodukt.
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Es
gibt einen anderen feineren Grund eine Vorderwand eines B-Trägers
nach innen nicht zu deformieren. Die technische/mathematische Formel
für Berechnung eines theoretischen Biegemoments „M” deutet
darauf hin, dass eine vertikal-lineare Vorderwand (wo das ganze
Material der Vorderwand soweit wie möglich nach vorne angeordnet
ist, um die Begrenzung des „Fahrzeugsknautschzone” zu
geben) einen größeren Biegemoment ergibt (und
somit einen steiferen Trägerabschnitt) als wenn ein Teil
der Vorderwand nicht so weit wie möglich nach vorne angeordnet
ist. Mit anderen Worten, wenn die Vorderwand so deformiert ist,
um eine inwärts kanalförmige Rippe aufzunehmen,
ist das Biegemoment des B-Trägers und sinngemäß die
theoretische Steifigkeit des B Trägers reduziert ..., da
ein Teil des Vorderwandmaterials näher an ihrem Schwerpunkt
bewegt ist. Dadurch ist es aus mehreren Gründen nicht eingängig
einen Teilbereich der Vorderwand in einem B-Träger nach
innen zu deformieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN
ERFINDUNG
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Wir
haben erheblich die effektive Aufprallfestigkeiten der B-förmigen
Träger durch Hinzufügen kanalförmiger „Kraft” Rippen
an den nicht gestützten Teilbereichen der Vorderwand in
den Trägern so verbessert, dass sie wesentlich näher
an der theoretischen Werten der Aufprallfestigkeit liegen. Wir glauben,
dass diese Verbesserung erheblich, überraschend und völlig
unerwartet ist, und dass sie extrem wertvoll für die Stoßstangenindustrie
ist, für welche Biege- und Aufprallfestigkeiten, die auf
Regierungs- und Versicherungsindustrie-Stoßstangenprüfnormen
basieren, extrem wichtig sind. Im Detail zeigt unsere Prüfung,
dass die B-Träger mit Kraftrippen der vorliegenden Erfindung
eine verbesserte effektive Biegefestigkeit (verglichen mit einem
B-Träger ohne Kraftrippen) aufweisen, welche oft größer
als 10%–20% ist, was eine beispiellose Verbesserung darstellt.
Unter einigen Umständen nähert sich die effektive
Biegefestigkeit unserer erfinderischen B-Träger mit Kraftrippen
den effektiven theoretischen Werten, was uns auch sehr überrascht,
weil die getesteten B-Träger mit vertikal-linearen Vorderwänden
(siehe die Patentschrift
'036 von
Sturrus) weisen effektive Biegewerten von nur circa 50%–60%
ihrer theoretischen Biegewerten auf. Erstaunlich kann diese Verbesserung
ohne Erhöhung des Gewichts oft erreicht werden und sie
eröffnet ferner die Fähigkeit zur Verwendung alternativ
fester Materialien in B-Stoßstangenträgersystemen.
Man geht davon aus, dass diese Verbesserung besonders wichtig und überraschend ist,
da B-Träger als Stoßstangenverstärkungsträger über
Jahre verwendet gewesen sind, aber, zur Kenntnis der derzeitigen
Erfinder, ohne kanalförmige Rippen in ihren Vorderwand.
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Diese
drastische Verbesserung schafft eine erhöhte Gestaltungsflexibilität
beim Design sowie bei der Funktionalität. Insbesondere
erlaubt sie gleich starke (oder stärkere) B-Träger
mit einer kleineren Querschnittsgröße herzustellen.
Zum Beispiel, dies erlaubt einem Fahrzeugdesigner den „Unterabsatz” (d.
h. der Abstand von einer Vorderseite eines Stoßstangensystems
bis zur Autoscheinwerfer) zu reduzieren und somit einem Fahrzeug
ein mehr europäisches Design zu ermöglichen (indem
der Stoßstangen-„Überstand” viel
kürzer ist). Dies erlaubt dem Designer auch unterschiedliche
Materialien (z. B. niedrige Kosten/weniger feste Materialien) bei
einer Aufrecherhaltung einer gewünschten Trägerfestigkeit
zu wählen. Wahlweise können stärkere
B-Träger innerhalb eines vordefinierten „gleichen” Stoßstangenverformungsraumes
gemacht werden. So können vorhandene Stoßstangen
ohne Änderung des Fahrzeugdesigns und möglicherweise
ohne Erhöhung des Fahrzeuggewichts stärker gemacht
werden.
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Dies
basiert auf der Entdeckung, dass, wenn B-förmige Stoßstangenverstärkungsträger
mit einer vertikal-linearer Vorderwand ausgebildet sind, wird eine
Vorderwand der Träger lokal instabil während eines
Biegeaufpralls, selbst wenn ihre Vorderwand vergleichen mit diesen
von gewöhnlicher Fähigkeit erscheint angemessen
gestützt zu sein. So ist die effektive Aufprallfestigkeit
der B-Träger mit der vorliegenden erfinderischen Frontrippe(-n)
viel näher an theoretischer Aufprallfestigkeit als traditionelle
B-Träger mit einer flachen Vorderwand, selbst wenn eine vertikale
Spannweite des nicht gestützten Teilbereichs einer vertikalen
Vorderwand über jedem Rohr in dem erfinderischen B-Träger
von nur 65 mm bis 40 mm, oder kleiner ist.
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Wie
nachstehend erörtert, verbessert die vorliegende erfinderische
Idee der Einführung einer kanalförmigen Rippe
in die Vorderwand der Rohre in einem B-förmigen Stoßstangeverstärkungsträger
effektiv gemessene Aufprallfestigkeiten in B-Trägern drastisch, überraschend
und unerwartet, so dass die effektiven Aufprallfestigkeiten viel
näher an theoretischen Werten liegen. Unsere Untersuchung
zeigt, dass dies insbesondere für B-Träger gilt,
die aus einer Platte mit Materialdicke kleiner als ca. 2,2 mm hergestellt
sind, und umso mehr für Dicken von 1,4 mm bis 1,2 mm oder
dünner gilt. Dies gilt auch für hochfeste Materialien,
wie Stahl mit einer Zugfestigkeit von 80 KSI, und insbesondere für
Materialien mit einer Zugfestigkeit größer als
120 KSI, insbesondere größer als 190 KSI. Besonders
werden Plattendicken oft verringert und deren Zugfestigkeiten im
Wege der Gewichtseinsparung bei Aufrechterhaltung einer hohen Festigkeit
erhöht. Somit wird die vorliegende Erfindung, die sowohl
für dünnere Blechmaterialien und Materialien mit
hoher Festigkeit hilfreich ist, als „doppelt„ wichtig
und bedeutsam betrachtet. Die Abnahme der effektiven Biegefestigkeit
tritt auch in B-Trägern mit einer relativ kurzen Vor-Rück-Abmessung und
mit einem hohen Querschnitt auf, in denen die vertikale nicht gestützte
Spannweite über jedem Rohr von etwa 45 mm bis 60 mm oder
größer ist und in denen die Vor-Rück-Tiefe
nur 40 mm beträgt. Es ist vorgesehen, dass ein Anwendungsbereich
der vorliegenden Erfindung alle B-förmigen Stoßstangenverstärkungsträger
für Fahrzeugstoßstangensysteme umfasst, unabhängig
davon, ob die beiden Rohre, gleich groß und/oder gleich
geformt sind, und ob eine Rippe (33) in einem oder in beiden
Röhren aufgenommen ist. Es ist vorgesehen, dass ein Anwendungsbereich
der vorliegenden Erfindung auch in anderen Umgebungen, wie z. B.
Türträger, Fahrzeugrahmenkomponenten und anderen
Situationen nützlich sein kann, in denen die effektive
Biege-/Aufprallfestigkeit wichtig ist und die Art der Biege-/Funktionsanforderung
mit der von Vorder- und Hinterstoßstangensystemen für
Fahrzeuge vergleichbar ist.
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In
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Stoßstangenverstärkungsträger,
der zur Befestigung an einem Fahrzeugvorbau oder -Heck geeignet
ist und aus einer Materiallage gefertigt ist, und wenn er nach einer
Fahrzeugmontageposition ausgerichtet ist, eine sich vertikal erstreckende
Vorderwand, zwei sich vertikal erstreckende Rückwände,
ein paar von vertikal voneinander entfernten mittleren horizontalen
Wänden, obere und untere horizontale Wände und
Befestigungsteile, die an den Rückwänden gesichert
und zur Montage an einem Fahrzeug geeignet sind. Die oberen und
unteren horizontalen Wände kombinieren mit den mittleren
horizontalen Wänden und der Vorderwand und den Rückwänden,
um einen oberen Rohrabschnitt und einen unteren Rohrabschnitt, der
von dem oberen Rohrabschnitt beanstandet ist, genau zu bestimmen. Eine
Mehrheit der Vorderwand ist vertikal-linear in einem quer verlaufenden
vertikalen Querschnitt, umfasst aber eine längs sich erstreckende
kanalförmige Rippe, die integral in dem ungestützten
Teilbereich der Vorderwand über zumindest einem des oberen und
unteren Rohrabschnitts ausgebildet ist, wobei die Rippe zur Verstärkung
und Stabilisierung der Vorderwand wirkt und damit im allgemeinen
den B-förmigen Verstärkungsträger während
eines Biegeaufpralls versteift und verstärkt.
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In
einer engeren Form umfassen sowohl der obere als auch der untere
Rohrabschnitt einen Längskanal, die darin ausgebildet ist.
In noch einer anderen engeren Form ist eine Rippe mittig über
der nicht gestützten Vorderwand jedes Rohres angeordnet.
In einer anderen engeren Form sind die Rippe(-n) Einzelrippen, die
zumindest etwa 8 mm tief sind, oder vorzugsweise mindestens ungefähr
10 bis 15 mm tief und mindestens ungefähr 10 bis 15 mm hoch
sind.
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In
einer Art des B-Trägers weisen die rohrförmigen
Abschnitte eine Tiefenabmessung von etwa 1,5 bis 2,0 Mal ihre vertikale
Abmessung auf, und der Träger weist eine Gesamtvertikalhöhe
von etwa 2,2–2,8 Mal die Höhe der einzelnen Rohrabschnitte auf.
Auch die Rippen weisen eine Rippenhöhe etwa gleich oder
etwas größer als die Rippentiefe auf, wobei die
Rippenhöhe bei etwa 33%-50% der Höhe des rohrförmigen
Abschnitts liegt.
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In
anderer Art des Trägers mit einem Höhe-Tiefe-Verhältnis
weisen die rohrförmigen Abschnitte eine vertikale Abmessung
von zumindest 1,5 Mal eine Tiefe der ringförmigen Abschnitte
auf, und der Träger weist eine vertikale Gesamthöhe
von mindestens etwa 3 Mal eine Tiefe der rohrförmigen Abschnitte
auf, und die kanalförmigen Rippen weisen eine vertikale
Abmessung auf, die zumindest bei etwa 1/2 bis 1/3 einer Höhe
der ringförmigen Abschnitte liegt.
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In
einer engeren Form weist die Platte eine Materialdicke von etwa
2,2 mm oder weniger und eine Zugfestigkeit von etwa 40 KSI Zugfestigkeit
oder mehr (oder bevorzugt eine Dicke von etwa 1,4 mm oder weniger,
und eine Zugfestigkeit von 80 KSI oder mehr; oder am meisten bevorzugt
eine Dicke von etwa 1,2 mm oder weniger und eine Zugfestigkeit von 190
KSI oder mehr) auf.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Stoßstangenverstärkungsträger,
der zur Befestigung an einem Fahrzeugvorbau oder -Heck geeignet
ist, einen B-förmigen Verstärkungsträger,
der aus einer Materialplatte gebildet ist und der Fahrzeugbefestigungshalterungen
an jedem Ende umfasst und ferner obere und untere Rohrabschnitte
aufweist, die voneinander entfernt und durch einen Mittelsteg verbunden
sind, wenn der Träger nach einer Fahrzeugmontageposition
ausgerichtet ist. Der Verstärkungsträger umfasst
eine Vorderwand mit Teilbereichen, die einen Frontteil der oberen
und unteren Rohrabschnitte bilden, wobei eine Mehrheit der einzelnen
Teilbereiche der Vorderwand, die sich vertikal in einem quer verlaufenden
vertikalen Querschnitt erstrecken, umfasst aber auch sich längs
erstreckende kanalförmige Rippen, die integral in den Teilbereichen
mittig über dem oberen und unteren Rohrabschnitt gebildet
sind.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren
zur Herstellung eines zur Befestigung an einem Fahrzeugvorbau oder -Heck
geeigneten B-förmigen Stoßstangenversteifungsträgers
Schritte der Bereitstellung eines Stahlblechs und des Rollformens
des Blechs in einen B-förmigen Verstärkungsträger,
welcher, wenn er nach eine Fahrzeugmontageposition ausgerichtet
ist, obere und untere Rohrabschnitte umfasst, die durch einen Mittelsteg
verbunden sind. Der Träger ist so geformt, dass er eine
Vorderwand mit nicht gestützten Teilbereichen, welche Teile
der oberen und unteren Rohrabschnitte bilden, mit einer Mehrheit
jeder der Teilbereiche der Vorderwand aufnimmt, die sich vertikal
in einen quer verlaufenden vertikalen Querschnitt erstrecken, die
aber auch kanalförmige Rippen umfasst, die integral in
den vertikalen Teilbereichen mittig über den oberen und
unteren rohrförmigen Abschnitten gebildet sind.
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In
noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der
Stoßstangenträger einen länglichen Verstärkungsträger
mit Fahrzeugbefestigungsteile an jedem Ende und ferner ist er zur
nichtlinearen Form ausgebogen. Der Träger, der nach einer
Fahrzeugmontageposition ausgerichtet ist, umfasst obere und untere
Rohrabschnitte und eine Vorderwand mit nicht gestützten
Bereichen, die eine Vorderseite der oberen und unteren Rohrabschnitte
bilden, und umfasst ferner eine kanalförmige Rippe in jedem
der nicht gestützten Bereichen.
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Man
geht auch davon aus, dass das besondere Aussehen des vorliegenden
B-Trägers in den 3 und 5–6 für
Fachleute neu, dekorativ und nicht offensichtlich ist.
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Diese
und andere Aspekte, Objekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden von den Fachleuten nach dem Studieren der folgenden Beschreibung,
Ansprüchen und beigefügten Zeichnungen verstanden
und gewürdigt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform
des vorliegenden B-förmigen Trägers.
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3 zeigt
eine Querschnittansicht entlang Linie III-III des B-förmigen
Trägers in 2.
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4 zeigt
eine Drei-Punkt-Biegeaufspannvorrichtung.
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5–6 zeigen
Drauf- und Querschnittansichten einer zweiten Ausführungsform
des B-Trägers mit Kraftrippen.
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7 zeigt
einen Querschnitt eines B-Trägers aus dem Stand der Technik,
der dem erfindungsgemäßen B-Träger der 5–6 ähnlich ist,
der aber einen Querschnitt mit einer vertikal-linearen Vorderwand
aufweist
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8 zeigt
einen Graphen mit den Ergebnissen eines Drei-Punkt-Biegetests, der
an den B-Trägern der 5–6 (B-Träger
mit Kraftrippen) und der 7 (B-Träger ohne Kraftrippe)
durchgeführt wurde.
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9 zeigt
eine Fotoaufnahme der Oberkante der geraden, B-förmigen
Träger nach dem in 8 gezeigten
Test; der Schaden zeigt eine unterschiedliche Spannungsverteilung
und Aufprallverformung, wobei der B-förmige Träger
mit Kraftrippe (dargestellt oben im Bild) weist eine breitere Spannungsverteilung
und breiteren Bereich (wenig lokalisierter Bereich) der Aufprallverformung
auf, als der B-förmige Träger ohne Kraftrippe
(dargestellt unten im Bild). 9A zeigt
eine Linienzeichnung der 9.
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10–11 zeigen
computergenerierte Vorderansichten der B-förmigen Träger
in 9; 10 zeigt eine FEA-Analyse der
Spannverteilung während der Biegung des B-förmigen
Trägers mit Kraftrippe (9, Bild
oben) und 11 zeigt eine FEA-Analyse einer
Spannungsverteilung während der Biegung des B-förmigen
Trägers ohne Kraftrippe (9, Bild
unten). 10A–11A zeigen Linienzeichnungen der 10–11.
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12 zeigt
eine graphische Darstellung der Versetzung im Vergleich zur Biegebelastung,
welche Testergebnisse eines Drei-Punkt-Biegetests (siehe 4)
des B-förmigen Trägers mit Kraftrippe (siehe 5–6)
mit Ergebnissen eines B-förmigen Trägers ohne
Kraftrippe (siehe 7) vergleicht, der Vergleich
wurde unter Verwendung der FEA-Korrelationsmethoden durchgeführt,
um gewicht-äquivalente B-förmige Träger
darzustellen.
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13 zeigt
eine Photoaufnahme einer Draufsicht von zwei B-förmigen
Trägern (siehe den B-Träger mit Kraftrippe in 5–6 und
den B-Träger ohne Kraftrippe in 7) nach
einem physikalischen Aufpralltest von 5 mph mit einer flachen Barriere,
wobei der in der Photoaufnahme obere Träger ein B-förmiger
Träger mit Kraftrippe und der untere Träger ein
B-förmiger Träger ohne Kraftrippe ist.
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14 zeigt
eine graphische Darstellung der Eindringungstiefe (Bewegung einer
Mitte des Trägers in Richtung des Fahrzeugskühlers)
im Vergleich zur Belastung, welche Testergebnisse eines physikalischen
Aufpralltests von 5 mph mit einer flachen Barriere von einem B-förmigen
Träger mit Kraftrippe mit Ergebnissen vom B-förmigen
Träger ohne Kraftrippe vergleicht.
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15 zeigt
eine graphische Darstellung der Eindringungstiefe im Vergleich zur
Belastung, welche Testergebnisse eines physikalischen Aufpralltests von
5 mph mit einer flachen Barriere vom B-förmigen Träger
mit Kraftrippe mit den Ergebnissen von einem normalen B-förmigen
Träger ohne Kraftrippe (Querschnitt mit vertikal-linearer
Vorderwand) vergleicht, wobei die Daten für den B-Träger
mit Kraftrippe so eingestellt sind (mit Hilfe FEA-Korrelationsmethoden),
um eine reduzierte Wanddicke in dem B-Träger mit Kraftrippe
so zu berücksichtigen, dass der B-Träger mit Kraftrippe
eine gleiche Masse aufweist, wie der dargestellte B-förmige
Träger ohne Kraftrippe.
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16 zeigt
eine graphische Darstellung der Eindringungstiefe (Rückwärtsbewegung
des Trägers während des Aufpralls) im Vergleich
zur Belastung, welche Testergebnisse eines physikalischen Aufpralltests
des IIHS von 10 km/h mit einer Stoßstangenbarriere von
dem B-förmigen Träger mit Kraftrippe und mit den
Ergebnissen von dem B-förmigen Träger ohne Kraftrippe
(d. h. flache Frontwand) vergleicht.
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STAND DER TECHNIK
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1,
die zum Teil aus der
US-Patentschrift Nr.
5,395,036 von Sturrus übernommen ist, zeigt ein Beispiel
der B-förmigen Stoßstangenverstärkungsträger
mit einem quer verlaufenden Querschnitt mit einer vertikal-linearen
Vorderwand. Der dargestellte B-Träger
200 in
1 umfasst
eine „vertikal-lineare” Vorderwand
201,
die durch koplanare Randteilbereiche („Flügel”)
202,
203,
die an einem Mittelsteg
215 angeschweißt sind,
gebildet sind. Es wird darauf hingewiesen, dass viele B-Träger
einen einzigen durchgehenden Teilbereich der Platte umfassen, der
ihre gesamte Vorderwand bildet. In solchen B-Trägern wird
die Schweißnaht (Schweißnähte) an einer
anderen Stelle auf dem B-Träger angeordnet. Der B-Träger
aus der Patentschrift
'036 von
Sturrus umfasst einen Querschnitt mit zwei Rohren
205 und
206,
wobei eins über das andere bei dem Träger bei
einer Fahrzeugmontageposition durch den Steg
215 beanstandet
angeordnet ist, so dass vier Wände (
213,
214,
216,
217)
sich horizontal von der Vorderwand mit den koplanaren Wänden
212A und
212B,
welche eine Rückseite der Rohren schließen, erstrecken.
Der B-Träger aus Sturrus ist ausgebogen (d. h. gekrümmt in
Längsrichtung), jedoch ist es zu bemerken, dass viele B-Träger
geradlinig (d. h. linear in Längsrichtung) sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie
den Fachleuten bekannt ist, ist die theoretische maximale Biegespannung
des Trägers in einem reinen Biegezustand durch die folgende
Gleichung vorausberechnet: σ = M/Z, wo M das Biegemoment
und Z das plastische Widerstandsmoment ist. Für σ
max ≤ σ
Ausbeute wird
sich der Träger theoretisch unter dem Biegemoment M nicht
krümmen. Folglich kurz bevor der Trägerkrümmung
M
max = σ
Ausbeute × Z. M
max wird oft als Querschnittsbiegesteifigkeit
bezeichnet. Da effektive Werte von M
max variieren,
muss dieser theoretische Wert von M mit effektiven Testergebnissen
(effektive M
max) korreliert werden. Zum
Beispiel, wie nachstehend dargestellt und diskutiert, kann das Verhältnis
des effektiven M
max-Wertes zu dem theoretischen
Wert von M
max so niedrig wie 50% bis 60%
in einem B-Träger mit einem Querschnitt mit einer vertikal-linearen
Vorderwand sein, wie beim B-Träger aus dem Stand der Technik
aus
5,395,036 von Sturrus
(siehe
1 hierin und die obige Diskussion).
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Wir
haben entdeckt, dass ein Verhältnis des effektiven Mmax zu dem theoretischen Mmax-Wert
um etwa 70% bis 80% oder höher in einem B-Träger 20, indem
eine integrale kanalförmige Verstärkungsrippe 33 (hierin
als „Kraftrippe” genannt) in die nicht gestützten
Teilbereiche einer sonst allgemein vertikal-linearen Vorderwand
in B-Trägern mit aufgenommen ist, erhöht werden
kann. Unser Testen zeigt, dass diese Rippe vorzugsweise zumindest
etwa 8 mm tief ist und zumindest etwa 1/3 einer Höhe des
nicht gestützten Teilbereichs der sich über einzelne
rohrförmige Abschnitte erstreckende Vorderwand entspricht.
Dies ist ein besonders überraschendes und unerwartetes
Ergebnis, angesichts der Tatsache, dass die (vertikal-lineare) Vorderwand
eines B-Trägers bereits in der Nähe ihrer Mitte
durch die mittleren horizontalen Wände eines typischen
B-Trägers gestützt ist. Dies ist besonders überraschend,
wenn die nicht gestützte Spannweite in der vertikal-linearen
Vorderwand (d. h. in diesem Teilbereich der Vorderwand, welcher
sich quer durch einen Rohrabschnitt erstreckt) in Stoßstangenverstärkungsträgern in
der Regel nur etwa 40 mm bis 65 mm ist und dennoch immer noch eine
dramatische Verbesserung der effektiven Biegefestigkeit erzielt
worden ist. Als Ergebnis der vorliegenden erfinderischen Konzepte bestehen
neue Designmöglichkeiten. Zum Beispiel können
die bestehenden B-förmigen Stoßstangenverstärkungsträger
in Wanddicke reduziert werden (d. h. das Gewicht sparen und gleichzeitig
eine gleiche Aufprallfestigkeit aufweisen). Beziehungsweise kann
die Aufprallfestigkeit der bestehenden Designs des B-förmigen
Stoßstangenverstärkungsträgers ohne zusätzliches
Gewicht oder Kosten (d. h. einfach durch Aufnahme der Kraftrippe
in einer flachen Vorderwand ohne Änderung der Blechdicke
oder der Formteilgestaltung) erhöht werden. Beziehungsweise
können neue B-förmige Stoßstangenverstärkungsträger
mit dünneren Vor-Rück-Abmessungen ausgebildet
werden, dennoch mit der gleichen Festigkeit als die andere „tieferen” Ausbildungen
(was auf diese Weise der Verformungsraum an einer Vorderseite des
Fahrzeugs spart und auch die Eindringungstiefe während
eines Aufpralls reduziert).
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Der
dargestellte B-förmige Stoßstangenverstärkungsträger 20 (2–3)
ist aus einer Platte rollgeformt, um ein paar der vertikal beanstandeten Röhre 21 und 22 genau
zu bestimmen (bei einer Fahrzeug-Montageposition). Der B-Träger 20 umfasst
eine Vor derwand 23, die sich von oben bis nach unten des
Trägers erstreckt und eine Vorderseite jedes Rohrs genau
bestimmt. Die nicht gestützten Vorderwandbereiche über
jedem Rohr sind im Allgemeinen vertikal-linear und ausgerichtet,
allerdings umfasst die Vorderwand 23 eine kanalförmige
Rippe 33, die an der Vorderwand mittig über jedem
der Rohre 21 und 22 angeordnet ist. Die Rippen 33 stabilisieren die
nicht gestützten Vorderwandbereiche über jedem Rohr
in einer Weise, welche eine verbesserte Aufprallfestigkeit erbringt,
wie nachstehend erörtert. Die dargestellte Rippe 33 ist
inwärts ausgebildet, so dass sie nicht in die Vorderseite
der Vorderwand des Trägers 20 hineinragt. Durch
diese Anordnung ist die Rippe 33 anfangs nicht durch ein
Objekt (wie ein Pfosten oder ein Baum) zusammengepresst. Somit werden
die Rippen 33 während des Initialaufpralls nicht
gebogen, wodurch sie die Vorderseite des Trägers über
einen längeren Zeitraum während des Initialsaufpralls
stabilisieren können. Allerdings, in einem weitesten Sinne,
geht man nicht davon aus, dass der Anwendungsbereich der vorliegenden
Erfindung unbedingt auf inwärts geformte Rippen (33)
beschränkt werden muss. So sind die dargestellten Rippen 33 mittig über
jedem Rohr 21 und 22 gebildet und die dargestellten
Rohre 21 and 22 in der Größe
und in der Form den Rippen 33 ähnlich. Allerdings,
in einem weitesten Sinne, geht man davon aus, dass der Anwendungsbereich
der vorliegenden Erfindung einen B-Träger umfasst, indem
die zwei Rohre nicht gleich groß und/oder gleich geformt
sind, und indem zusätzliche Rohre vorhanden sein können,
und indem die Rippen weder über jedem Rohr notwendigerweise
mittig angeordnet sind noch von gleicher Größe
und Form sind.
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Der
dargestellte B-Träger 20 der 2–3 ist
vorzugsweise aus einer Materiallage, wie z. B. aus einem 1 mm bis
2 mm dicken Stahl (oder vorzugsweise 1.1 mm bis 1.6 mm dick, oder
besonders vorzugsweise 1.2 mm bis 1.4 mm dick in Abhängigkeit
von funktionellen Anforderungen des Stoßstangensystems)
gebildet. Die Platte weist eine Zugfestigkeit von 40 KSI oder vorzugsweise
von 80 KSI oder besonders vorzugsweise von 120 KSI (oder unter einigen
Umständen von 190 KSI). Die oberen und unteren rohrförmigen
Abschnitte 21 und 22 sind voneinander beanstandet
und durch ein paar von nebeneinander gestellten, zwischen liegenden
Vertikalwänden 23 und 24 verbunden. Der
obere rohrförmige Abschnitt 21 umfasst horizontale
Wände 25 und 26, die durch vordere und
hintere Vertikalwände 27 und 28 miteinander
verbunden sind. Der untere rohrförmige Abschnitt 22 umfasst
horizontale Wände 29 und 30, die durch
vordere und hintere Vertikalwände 31 und 32 miteinander
verbunden sind. Die dargestellte Vertikalwand 23 ist durch
koplanare Randbereiche der rollgeformten Platte gebildet, welche
an einem Mittelpunkt zum Steg 24 geschweißt sind,
um eine „vertikal-lineare” Vorderwand zu bilden.
Allerdings ist es vorgesehen, dass die Vertikalwand 23 aus
einem durchgehenden einzelnen Teilbereich eines Blechmaterials gebildet
werden kann (in dem Fall würden die Ränder des
rollgeformten Blechs in einem anderen Bereich entlang eines Umfangs
des B-Trägers angeschlossen). Ein paar der Befestigungsteile 22' sind
an den Rückwänden 28, 32 in
der Nähe jedes Endes befestigt. Die dargestellten Befestigungsteile enthalten
jeweils einen Flansch, der an dem ausgebogenen Träger 20 angeschweißt
ist und jeder Halter umfasst ferner koplanare ausgerichtete Teilbereiche mit Öffnungen,
welche zur Schraubenbefestigung an einem Fahrzeuglängsträger
geeignet sind.
-
In
der dargestellten Anordnung der 3 weisen
die rohrförmigen Abschnitte 21 und 22 eine vertikale
Abmessung D1 von etwa 1.5-mal eine Tiefenabmessung D2 der rohrförmigen
Abschnitte auf. Der dargestellte Träger 20 selbst
weist eine vertikale Gesamthöhe D3 von etwa 3–4
mal eine Tiefenabmessung D2 der rohrförmigen Abschnitte
auf, und die Kraftrippen weisen eine vertikale Dimension D4, die etwa
33% bis 50% einer Höhe der entsprechenden rohrförmigen
Abschnitte entspricht und eine Tiefenabmessung D5, die zumindest
etwa 10% bis 35% (und mehr vorzugsweise etwa 25%) der Tiefendimension
D2 entspricht, auf. Der in 3 dargestellte B-Träger
weist die folgende effektive Abmessungen auf: Die Einzelrohrhöhenabmessung
D1 jedes Rohres beträgt ca. 65 mm, die gesamte Trägertiefenabmessung
D2 beträgt ca. 40 mm, die gesamte Trägerhöhenabmessung
D3 beträgt ca. 150 mm, die Rippenhöhenabmessung
D4 beträgt ca. 20 mm bis 30 mm und die Rippentiefenabmessung
D5 beträgt zumindest ca. 8 mm (oder insbesondere vorzugsweise 10–15
mm).
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung der Rippen 33 in
den nicht gestützten Teilbereichen der Vorderwand der B-Träger
besonders wichtig ist, wenn B-Träger aus einem dünnen
Material und/oder aus einem hochfesten Material gebildet sind, und/oder
wenn der B-Trägerquerschnitt ein hohes Höhe-Tiefe-Verhältnis
aufweist. Der Grund dafür ist, dass B-förmige
Stoßstangenverstärkungsträger oft „stärker” unter
Verwendung des extrem hochfesten Stahls gefertigt sind, da die hohe
Materialsdehngrenze höhere Biegesteifigkeit des Abschnitts
ermöglicht. Dies ermöglicht Materialien von geringer
Dicke zu verwenden, was wiederum Gewicht spart. B-Träger
mit Höhe-Tiefe-Verhältnissen ergeben eine breitere
Aufprallfläche, während eine gute Biegefestigkeit
immer noch vorhanden ist. Allerdings wurde es beobachtet, dass die
B-Träger mit vertikal-linearen Vorderwänden zunehmend
schlechtere effektive Biegefestigkeiten aufweisen, insbesondere
bei geringeren Materialdicken (wie z. B. 2,2 mm oder weniger, und
insbesondere bei 1,4 mm–1,2 mm oder weniger) und/oder bei
höheren Materialzugfestigkeiten (wie z. B. 80 KSI bis 190
KSI oder höher) und/oder mit Querschnitten mit Höhe-Tiefe-Verhältnissen
(wie z. B. wenn der Träger 150 mm hoch, 40 mm tief ist,
wobei jedes Rohr etwa 65 mm hoch ist und die Rohre etwa 20 mm voneinander
beanstandet sind). Unsere Prüfung in solchen B-Trägern
zeigt, dass die effektive Biegefestigkeit des B-Trägers
im Wesentlichen unter der theoretischen Biegefestigkeit liegt, oft
nur 50%–60% der theoretischen Biegefestigkeit. Das liegt
offensichtlich zum wesentlichen Teil an der lokalen Instabilität
der Vorderwand in nicht gestützten Bereichen der Vorderwand über
jedem Rohr in dem B-Träger. Diese lokale Instabilität
reduziert die effektive Mmax wesentlich
unter dem erwarteten theoretischen Wert ..., so dass die effektive
Festigkeit dieses B-Trägers nur ca. 50%–60% des
erwarteten theoretischen Werts beträgt.
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In
der unten beschriebenen Untersuchung wurden die effektiven Werte
von Mmax der B-Träger erheblich
von ca. 50%–60% ihrer theoretischen Biegefestigkeit bis
zu etwa 70%–80% in einem B-Träger mit Kraftrippen
erhöht. In mindestens einem Test wurde die effektive Biegefestigkeit
fast zu der theoretischen Biegefestigkeit erhöht. Wir glauben,
dass dies zum Teil durch die andere Art des Bruchmodus zwischen
dem B-Träger 20 und dem Träger aus dem Stand
der Technik der Patentschrift '036 von Sturrus erklärt
werden kann. In B-Trägern mit Querschnitten mit vertikal-linearen
Vorderwänden (und ohne „Kraftrippe”)
scheinen die Vorderwände zu knicken und vorzei tig während
eines Aufpralls aufgrund der in den nicht gestützten Teilbereichen
der Vorderwände entstandenen Längsdruckkräfte
zusammenzubrechen, was zur örtlich begrenzten Instabilität
der neben liegenden Wände und dann zum vorzeitigen Gesamtbruch
des Trägers führt. Im Gegensatz scheinen die Vorderwände
in B-Trägern mit Querschnitten mit Vorderwänden
mit Kraftrippen (d. h. Kanalrippen gebildet in nicht gestützten
sich über die Rohre erstreckenden Teilbereichen der Vorderwand)
besser das vorzeitige Knicken und den Zusammenbruch zu widerstehen.
Dies führt zu einem stärkeren Träger
(d. h. einen B-Träger mit einer effektiven Biegefestigkeit, die
näher an ihrer theoretischen Biegefestigkeit liegt). Besonders
glauben wir, dass dieser vorzeitige Zusammenbruch wegen des Knickens
aufgrund der Längsdruckkräfte aus einem etwas
anderen Bruchmodus als dies des theoretischen Biegens herauskommt.
Insbesondere nimmt die theoretische Biegefestigkeit zu, wenn der
Biegemomentswert M eines Trägers zunimmt. Allerdings, wenn
das Material aus der Vorderwand dazu verwendet wird, um eine kanalförmige
Rippe in der Vorderseite eines Trägers zu bilden, nimmt
das theoretische Biegemoment des Trägers effektiv ab, wenn
das Material von der äußersten Vorderseite des
Trägers (wo eine größte Menge in Richtung
der Biegefestigkeit und des Biegemoments „M” mitwirkt)
und in Richtung eines Massenmittelpunktes (wo eine kleinere Menge
in Richtung der Biegefestigkeit des Trägers mitwirkt) bewegt wird.
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Um
die vorliegende Theorie zu testen, wurde eine Drei-Punkte-Biege-Aufspannvorrichtung 300, wie
in 4 gezeigt ist, verwendet. Die Aufspannvorrichtung 300 umfasst
untere Abstützvorrichtungen 301, die voneinander
880 mm beanstandet sind und eine gekrümmte obere Fläche 302 für
den Eingriff des Trägers aufweisen. Die Aufspannvorrichtung 300 umfasst
ferner einen oberen Kopf 303 mit einer unteren Fläche 304,
die einen Radius für das Drücken gegen eine Mitte
des getesteten Trägers bestimmt. Der Träger (dargestellt
durch Träger 305) wurde an den Abstützvorrichtungen 301 für
den Eingriff an seinem Mittelpunkt durch den oberen Kopf 303 angeordnet.
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Frühere
Versuche wurden mit Hilfe zweier ähnlicher Trägern
ausgeführt, einer mit Kraftrippen (siehe den B-Träger 20 mit
Kraftrippen 33, wie in 2–3 gezeigt)
und der andere ohne Kraftrippen. Die Träger waren in jeder
Hinsicht identisch mit Ausnahme der Kraftrippe (33). Insbesondere
wurden sie aus genau derselben Materialspule (d. h. die gleiche
Materialeigenschaften und -Dicke) gefertigt, sie wiesen eine gleiche
Längsbiegung und eine gleiche totale vertikale Höhe
und Tiefe auf. Der Träger 20 mit Kraftrippe 33 zeigte
eine dramatisch verbesserte Biegefestigkeit um etwa 20% an Biegeversetzungen
in der Nähe des Bruchs. Das überraschte uns extrem.
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Zur
weiteren Prüfung des vorliegenden Konzepts wurde einen
zweiten Träger 20A mit Kraftrippen 33A in
seiner Vorderwand 201A über seiner Rohre (5–6)
und einen zweiten Träger 320 mit vertikal-linearer
Vorderwand 321 ohne Kraftrippen (7) konstruiert.
Die Träger 20A und 320 wiesen jeweils
eine Gesamthöhe von 115 mm und eine Gesamttiefe von 70
mm, und Stützlager 22A' auf, die an ihrer Rückseite
angeschweißt sind. Die Träger wurden jeweils aus
einer Materialplatte mit einer Zugfestigkeit von 190 KSI und einer
Dicke von 1.16 mm hergestellt. Die Träger 20A und 320 wiesen
jeweils obere und untere Rohre mit einer Höhe von 45,5
mm und einer Tiefe von 70 mm auf und waren etwa 24 mm voneinander
beanstandet. Die oberen und unteren Rohre 205A und 206A bestimmen
vier horizontale Wände (213A, 214A, 216A, 217A)
(bei einer Fahrzeug-Montageposition) mit jeder horizontalen Wand mit
einer leichten Biegung an ihrem Mittelpunkt, mit dem vorwärts
Halbbereich der horizontalen Wände, die relativ parallel
und horizontal sind, und mit dem rückwärts Halbbereich
der horizontalen Wände, die Richtung einer Rückseite
jedes Rohres inwärts verjüngt sind. In dem Träger 20A wies
die Vorderwand Kraftrippen 33A auf, die mittig über
jedem Rohr in den nicht gestützten Bereichen der Vorderwand
gebildet sind, wobei die Kraftrippen jeweils etwa 15,49 mm tief
und etwa eine gleiche Breite von etwa 15,49 mm (an ihrer Mittel-Tiefe-Höhe)
aufweisen. Die Vorderwand wies einen Radius R7 von etwa 7 mm auf, der
an mehreren Stellen auftritt, einschließlich an dem oberen
Rohr an der oberen Ecke von der oberen Wand auf der Vorderwand,
an der oberen Ecke wie die Übergänge der Vorderwand
in die obere Kraftrippe 33, an einer Unterseite der Kraftrippe 33 und
an einer Ecke von der Kraftrippe 33 auf der Vorder wand in
der Nähe des Mittelstegs. Der Vorderwandbereich über
dem unteren Rohr weist Radien R7 an den dem oberen Rohr ähnlichen
Stellen auf. Wie oben bemerkt, wies der Träger 320 (7)
einen Querschnitt mit einer vertikal-linearer Vorderwand (d. h.
keine Kraftrippen) auf. Der Träger 320 war ansonsten
dem Träger 20A ähnlich.
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Ein
Drei-Punkte-Biegetest (siehe Aufspannvorrichtung der 4)
wurde an dem ausgebogenen B-Trägerabschnitt 20A mit
Rippen 33A (5–6)
und an dem ausgebogenen normalen B-Träger 320 mit
einer flachen Vorderseite (ohne Rippe) (7) ausgeführt.
In dem Drei-Punkt-Biegetest (8) ergab
der B-Träger 20A mit Kraftrippe 33A eine
verbesserte effektive maximale Belastung = 60.2 kN. Im Kontrast
ergab der normal geformte B-Abschnitt 320 (ohne Kraftrippe)
nur eine effektive maximale Belastung = 43.9 9 kN. Auch der B-Träger 20A mit
Kraftrippe 33A erbrachte einen größeren Verformungsbereich
(siehe den oberen B-Träger in den Photoaufnahmen der 9),
während der normale B-Träger 320 ein
Anzeichen des Knickens zeigte und erbrachte einen mehr örtlich
beschränkten gekrümmten Bereich (siehe den unteren
B-Träger der 9). Dies ist in der FEA-Analyse
gut zusehen (siehe 10–11),
welche ein optisches Bild der Spannung gibt, dass ein Drei-Punkte-Biegungsbruchmodus
darstellt. Insbesondere wurde die Spannung über einen viel
größeren Bereich A1 in dem B-Träger 20A mit
Kraftrippe 33 (10) verteilt,
was zu einer höheren Tragfähigkeit führt.
Im Kontrast wurde die Spannung in einem viel mehr lokalisierten
Bereich A2 konzentriert mit dem Ergebnis der vorzeitigen Krümmung,
eines scharfen Krümmungspunktes und einer geringeren Tragfähigkeit
in dem B-Träger 320 mit vertikal-linearer Vorderwand
(11).
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Das
maximale Biegemoment wurde bei den Trägern 20A und 320 bestimmt,
um die vorliegenden Testergebnisse besser zu verstehen. Wie oben
bemerkt, entspricht das theoretische Maximum des Biegemoments dem
plastischen Widerstandsmoment mal die Dehngrenze (d. h. Mmax = Z × YS). Für den B-Träger 20A ist
das theoretische Mmax = 13938 mm3 × 1224 MPa = 17060 Nm. Für
den Träger 20A ist das effektive Mmax =
PL/4, wo P = Belastung und L = Spannweite der Testaufspannvorrichtung
ist. Das effektive Mmax war daher (60,2
kN × 880 mm/4) = 13244 Nm. Folglich ist das Verhältnis
des effektiven/theoretischen Mmax = (13244/17060) × 100%
= 77,6%. Für den B-Träger 320 ist das
theoretische Mmax = 13494 mm3 × 1224
MPa = 16517 Nm. Für den Träger 320 ist das
effektive Mmax = PL/4, wo P = Belastung
und L = Spannweite der Testaufspannvorrichtung ist. Das effektive
Mmax war daher (43.9 kN × 880 mm/4)
= 9658 Nm. Folglich ist das Verhältnis des effektiven/theoretischen
Mmax = (9658/16517) × 100% = 58.5%.
Wir stellen fest, dass durch eine Abnahme der Menge der vorzeitigen
Dünnwandkrümmung in der Vorderwand, der B-Träger 20A mit
Kraftrippe 33A viel näher an den theoretischen
Wert des Mmax als der B-Träger 320 mit
vertikal-linearen Vorderwand (d. h. ohne Kraftrippe) liegen kann.
Wir glauben, dass aufgrund der Art des Bruchs und Spannungen während
des Biegens solchen Träger dieses Verhältnis bei
dickeren Trägern (d. h. Träger mit einer tieferen
horizontalen Querschnittstiefe) sogar noch höher liegen
wird, wie z. B. bis 85% bis 95% oder höher.
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Um
die vorliegenden erfinderischen Konzepte weiter darzustellen, wollten
wir zwei B-Träger von gleichem Gewicht vergleichen, wobei
ein B-Träger wie der B-Träger 20A mit
Kraftrippen 33A in seiner Vorderseite ist und der andere
B-Träger wie der B-Träger 320 mit einem
Querschnitt mit einer vertikal-linearen Vorderwand (und keine Kraftrippen)
ist. Besonders muss der B-Träger 20A aus einer
leicht breiteren Platte gefertigt werden, da er ein zusätzliches
Material umfassen muss, um die kanalförmige Kraftrippe 33A zu
bilden. So erfordert ein „gleich wiegender” B-Träger 20A eine
dünnere Wanddicke, um gleiches Gewicht wie ein B-Träger 320 mit
keiner Kraftrippe aufzuweisen. Wir verwendeten die Finite-Element-Methode
zur Datengenerierung für einen hypothetischen B-Träger
mit Kraftrippe (bezeichnet als einen B-Trägerabschnitt
mit Kraftrippe, genannt als die „WESWPR B-Träger”),
der eine reduzierte Wanddicke aufweist, so dass er das gleiche Gewicht wie
ein B-Träger ohne Kraftrippe (bezeichnet als ein B-Trägerabschnitt
mit keiner Kraftrippe, genannt als der „WENOPR B-Träger”)
aufweist. Das Ergebnis war, dass ein WESWPR B-Träger (mit
Kraftrippen) mit Wanddicke von 1,15 mm ein gleiches Gewicht wie ein
WENOPR B-Träger (keine Kraftrippe) mit Wanddicke von 1,23
mm aufweist. Wir ver weisen auf den WESWPR B-Träger und
den WENOPR B-Träger als „Gewichtäquivalente
B-Abschnitte”.
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Die
Daten der 12 vergleichen die Stärke dieses
hypothetischen WESWPR B-Trägers mit Kraftrippe (d. h. Wanddicke
von 1,15 mm, Zugfestigkeit des Blechmaterials von 190 KSI) mit der
Stärke des WENOPR B-Trägers mit einer linear-vertikalen Vorderwand
(keine Kraftrippe, Wanddicke von 1,23 mm, Materialzugfestigkeit
von 190 KSI). Insbesondere wies der WESWPR B-Träger ein
Gewicht/Länge von 0,0045 kg, eine effektive maximale Belastung von
56,1 kN und ein effektives Mmax von 12342
Nm auf. Die WENOPR B-Träger weist ein Gewicht/Länge von
0,0045 kg, eine effektive maximale Belastung von 43,9 kN und einen
effektiven Mmax von 9658 Nm auf. Dies zeigt
eine überraschende Erhöhung von 25% oder höher
des effektiven Mmax für einen WESWPR
B-Träger (mit Kraftrippe) über einen gleich wiegenden
WENOPR B-Träger (keine Kraftrippe) bei signifikanter Versetzung
von über 25 mm.
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Wir
haben den vorliegenden erfinderischen B-Träger auch dynamisch
getestet. Ein allgemein verwendeter dynamischer Test ist als der „physikalischer
Aufpralltest von 5 mph mit einer flachen Barriere” gekannt.
Solche Tests sind allgemein bekannt und erfordern keine detaillierte
Erklärung für Fachleute auf dem Gebiet des Fahrzeugsstoßstangendesigns.
Im Grunde fordert ein einen Fahrzeug simulierenden Radschlitten
ein Stoßstangensystem, welches einen an seiner Vorderseite
befestigten Träger und einen an der Vorderseite des B-Trägers
befestigten Polymerenergieabsorber 345 umfasst. Der Schlitten
wird gegen eine flache Barriere mit einer Geschwindigkeit 5 mph
aufgeprallt (bzw. der Schlitten ist stationär und ein Pendel
prallt gegen den Schlitten/Stoßstangenanordnung mit 5 mph).
Im vorliegenden Test war das Gewicht des Schlittens („Fahrzeugmasse”)
von 1800 kg (60% an der Vorderseite und 40% am Heck). Ein anderer
häufig verwendeter dynamischer Test ist als „10
km/h physikalischer Aufprall des IIHS mit einer Stoßstangenbarriere
(100% Überlappung des Trägers mit der Barriere)” genannt. In
diesem Test werden Stoßstangen-B-Träger gegen ein
Hindernis mit einer aufprallenden Struktur, die eine andere Stoßstange
simuliert, aufgeprallt. Erneut ist dieser Test den Fachleute auf
dem Gebiet des Stoß stangendesigns nachvollziehbar, so dass
eine detaillierte Erklärung zum Verständnis des
Tests nicht erforderlich ist. In unserem Test wurde ein gleich 1800
kg wiegender Schlitten verwendet.
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13 ist
eine Photoaufnahme eines B-Trägers 20A mit Kraftrippe 33A und
eines B-Trägers 320 ohne Kraftrippe nach einem
physikalischen Aufpralltest von 5 mph mit einer flachen Barriere,
wie oben beschrieben. Beide Träger 20A und 320 umfassen einen
identischen Polymerenergieabsorber 345, der an der Vorderwand
befestigt ist und sie angrenzt. Wie gesehen werden kann, zeigt der
B-Träger 20A mit Kraftrippe eine verteilte Aufprallzone
Z1 ohne klar definierten Krümmungen (siehe Mittelbereich).
Im Kontrast umfasst der B-Träger 320 mit einer
vertikal-linearen Vorderwand (d. h. keine Kraftrippe) eine genau definierte
Krümmung in der Nähe seiner Mitte am Punkt Z2.
Dieses Ergebnis trat trotz der Anwesenheit des Polymerenergieabsorbers
auf der Vorderseite der B-Träger auf. Besonders ist der
Polymerenergieabsorber als Hilfsmittel da, um die Aufprall- und
Ausbreitungsspannung zu mildern. Jedoch trat das vorzeitige Krümmungsproblem
in dem B-Träger ohne Rippe dennoch auf und trat es nicht
in dem B-Träger mit Rippen 33 auf.
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14 zeigt
die Daten von dem physikalischen Aufpralltest von 5 mph mit einer
flachen Barriere an den in 13 gezeigten
Trägern 20A und 320. Die Daten zeigen,
dass der B-Träger 20A eine wesentlich höhere
Aufprallfestigkeit (d. h. etwa 129 kN Gesamtbelastung) als der B-Träger 320 (der
eine Gesamtbelastung von 110.5 kN erbrachte) erbrachte. Auch der
B-Träger 20A mit Kraftrippe wies ein Vorderflächeeindringen
von 53,8 mm und ein Hinterflächeeindringen von 31,5 mm,
während der B-Träger 320 ohne Kraftrippe
ein Vorderflächeeindringen von 62,2 mm und ein Hinterflächeeindringen
von 54,2 mm zeigte. Es wird bemerkt, dass beide Träger 20A und 320 mit
der gleichen Energie aufgeprallt wurden. Folglich, wie die Daten
zeigen, erlangte der B-Träger 20 von seinem maximalen
Hinterflächeeindringen von 53,8 mm in eine zurückerlangte
endgültige Position von etwa 23 mm der bleibenden Verformung
wieder ... während der B-Träger 320 aus
seinem maximalen Hinterflächeeindringen von 62,2 mm in
nur etwa 37 mm der bleibenden Verformung wieder erlangte.
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15 verwendet
die Daten aus 14, die allerdings mit Hilfe
einer FEA-Analyse modifiziert sind, um die Daten für einen
Vergleich der gewichtäquivalenten B-Träger unter
dem Test von 5 mph mit einer flachen Barriere zu generieren. In 15 wies der
B-Träger (20A) mit Kraftrippe (anhand der Daten aus
dem korrelierten FEA-Model) eine Materialdicke von 1,15 mm auf,
und generierte eine maximale Belastung von 131,6 kN, ein Vorderflächeeindringen von
51,4 mm und ein Hinterflächeeindringen von 26,5 mm. Im
Kontrast wies der gewichtäquivalente B-Träger
(320) ohne Rippe eine Materialdicke von 1,23 mm auf, dafür
generierte er nur eine maximale Belastung von 110,5 kN, ein Vorderflächeeindringen
von 62,2 mm und ein Hinterflächeeindringen von 54,2 mm.
Besonders wies der B-Träger 20A eine Abnahme von
49% im Hinterflächeeindringen unter Verwendung eines gleichen
Massenträgers zum B-Träger 320 auf.
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Auch 16 zeigt
die Ergebnisse eines Tests, der an Trägern 20A und 320 mit
gleicher Wanddicke unter dem physikalischen Aufprall des IIHS (Versicherungsinstitut
der Autobahnsicherheit) von 10 km/h mit einer Stoßstangenbarriere
mit 100%-iger Überlappung des Trägers mit der
Barriere ausgeführt wurde. Der B-Träger 20A mit
Kraftrippe 33A erbrachte ein maximales Vorderflächeeindringen
von 111,7 mm, ein maximales Hinterflächeeindringen von
40,4 mm und eine maximale Belastung von 131,8 kN. Im Kontrast erbrachte
der normal geformte B-Träger 320 mit einer flachen
Vorderseite mit gleicher Materialdicke nur ein maximales Vorderflächeeindringen
von 121,6 mm, ein maximales Hinterflächeeindringen von
83,2 mm und eine maximale Belastung von 97,6 kN. Folglich übertraf
wieder der B-Träger 20A mit Kraftrippe den B-Träger 320 ohne Kraftrippe
(d. h. mit einer vertikallinearen Vorderwand) erheblich.
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Um
zusammenzufassen, wir haben entdeckt, dass ein B-förmiger
Stoßstangenverstärkungsträger mit Kraftrippe
in seiner über jedem seiner zwei Rohre zentrierten Vorderwand
eine dramatische und wesentliche verbesserte effektive Aufprallfestigkeit
im Vergleich zu einem ähnlichen B-förmigen Stoßstangenverstärkungsträger
mit einem Querschnitt, der eine vertikal-linearen Vorderwand zeigt, aufweist.
Die Verbesserung in dem B-Träger mit Kraftrippe wird durch
wesentlich verbesserte: erhöhte effektive Biegefestigkeit,
erhöhte effektive dynamische Aufprallfestigkeit, Photoaufnahmen,
die mehr verteilte Verformung an einem Bruchpunkt und die größere
Ausbreitung der Spannung in dem Träger mit Kraftrippe zeigen,
reduziertes effektives Hinterflächeeindringen, und reduziertes
effektives Vorderflächeeindringen, gezeigt. Wir kommen
zu dem Schluss, dass das Hinzufügen der Kraftrippen in
nicht gestützte Bereiche der Vorderwand über Rohre
eines B-Trägers wesentlich ist. Als ein Ergebnis ist es,
dass die effektive Aufprallfestigkeit der B-Träger viel
näher an den theoretischen Werten liegt, wenn die Kraftrippen
hinzugefügt sind. Überraschend ist dies für
Träger mit Rohren wahr, wo ein nicht gestützter
Bereich der Vorderwand nur 40 mm umspannt, und es ist insbesondere
wahr, wenn die Materialdicke 2,2 oder geringer ist (und insbesondere
von 1,4 mm oder weniger ist), und wenn die Materialstärke
eine Zugfestigkeit von über 40 KSI aufweist (und insbesondere
eine Zugfestigkeit von 80 KSI–190 KSI oder größer),
und wenn die Rippe zumindest etwa 8 mm oder mehr vorzugsweise etwa
10–15 mm ist.
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Es
ist zu verstehen, dass Änderungen und Modifikationen auf
der oben genannten Struktur ohne dabei von den Konzepten der vorliegenden
Erfindung wegzugehen, gemacht werden können und ferner
ist es zu verstehen, dass diese Konzepte durch die folgenden Ansprüche
ausgelegt sind, es sei denn in den Ansprüchen durch ihre
Ausdruckweise ausdrücklich etwas anders bestimmt ist.
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Die
Ausführungsformen der Erfindung, in denen ein ausschließliches
Eigentum oder Privileg in Anspruch genommen wird, sind wie folgt
definiert:
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Zusammenfassung
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Ein
B-förmiger Verstärkungsträger ist aus
einer Materiallage gebildet und umfasst vertikal beabstandete obere
und untere rohrförmige Abschnitte mit einer kanalförmigen
Rippe, die mittig in den nicht abgestützten Bereich der
Vorderwand über jeden Rohrabschnitt gebildet ist. Die Rippen
versteifen und stabilisieren die Vorderwand, was bewirkt, dass die effektive
Biegefestigkeit des B-Trägers viel näher an den
erwarteten theoretischen Werten liegt. In einer Form weisen die
Rippen eine vertikale Abmessung von etwa 33%–50% einer
Höhe der rohrförmigen Abschnitte und eine Tiefe
von etwa 50%–100% der Rippenhöhe auf. Die Rippe
ist insbesondere effektiv, wenn das Material weniger als 2.2 mm
ist, mehr als 80 KSI und/oder ein wesentliches Höhe-Tiefe-Verhältnis
wie 3:1 aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5395036 [0003, 0003, 0004, 0007, 0021, 0035, 0035, 0036]