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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Kippschutzstruktur für Kabinen und Führerkabinen von Industrie- und Landwirtschafts- Betriebsmitteln und/oder Betriebsmaschinen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Kippschutzstruktur für Kabinen mit einer Ausgestaltung, die die in den Vorschriften vorgesehenen Sicherheitsstandards garantiert, jedoch mit einer Verringerung des Gewichts derselben Struktur gegenüber dem Stand der Technik.
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Bekanntlich bestehen die Kippschutzstrukturen für Kabinen aus einer Ringanordnung von Profilen und/oder Blechkastenprofilen, die den in der Kabine platzierten Bediener schützen, falls die Maschine, auf der die Kabine selbst montiert ist, umkippt.
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Normalerweise werden in den bekannten Kippschutzstrukturen verschiedene Arten von Querschnitten verwendet, die Kriterien in Bezug auf die mechanische Festigkeit erfüllen müssen und gleichzeitig andere funktionale Anforderungen erfüllen müssen, insbesondere auch, wenn die Kippschutzstruktur auch als Kabine fungiert, weshalb es notwendig ist, gleichzeitig Fenster, Türen aufzunehmen, um Sichtbarkeit, Design, eine wertvolle Form der Kabine usw. zu gewährleisten.
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Für den Fall, dass die Säulen der Struktur entweder vor der Karosserie verborgen sind oder zu Überrollbügeln ohne Kabinenfunktion gehören, werden normalerweise Profile mit rechteckigem Querschnitt verwendet.
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Der rechteckige Querschnitt bietet dank des Trägheitsmoments in allen drei Kraftrichtungen, d. h. seitlich, vertikal und in Längsrichtung, eine gute Leistung.
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Für das Material wird normalerweise Baustahl verwendet, da sowohl für die Kraftbelastungen der Prüfungen als auch für die zu absorbierende Energie Baustahl das Material mit den am besten geeigneten mechanischen Eigenschaften ist.
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Die Kippschutzkonstruktionen für Kabinen müssen daher spezifischen Sicherheitsstandards entsprechen. Um die Erfüllung dieser Standards zu überprüfen und diese Strukturen zu genehmigen, werden spezifische Tests durchgeführt, die normalerweise in mehrere statische Stöße unterteilt sind, beispielsweise seitlich, vertikal und längs.
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Die Anzahl der Stöße mit den relativen Kraftbelastungen und der absorbierten Energie variiert je nach Sektor, für den die Kippschutzstruktur verwendet werden muss (z. B. für den Industrie-, Landwirtschafts- usw. Sektor) und der Kategorie der Maschine (z. B. ein Lader, ein Bagger, ein landwirtschaftlicher Traktor usw.).
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Nach den geltenden Vorschriften muss die Struktur daher eine bestimmte Energie aufnehmen und ein bestimmtes Kraftbelastungsziel erreichen und darüber bleiben.
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Zur Reduzierung der Profildicke und damit des Gewichts und der Kosten können Stähle mit besseren mechanischen Eigenschaften verwendet werden. Diese Strukturen werden gemäß den geltenden Vorschriften erneut geprüft.
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Der schwerste Stoß, der die Struktur in Gefahr bringt, ist normalerweise der seitliche. Tatsächlich biegen sich während des seitlichen Stoßes die Säulen der Struktur aufgrund der durch den Stoß induzierten Biegung.
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Die Verformung geht vom elastischen zum elastisch-plastischen Feld über oder von der elastischen zur elastisch-plastischen Verformung über.
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Wenn der Querschnitt in der letzten Phase des Tests keine ausreichende Stärke aufweist, besteht die Gefahr, dass die Säulen aufgrund des Nachgebens unter der Spitzenlast zusammenbrechen, die auf der Oberfläche erzeugt wird, auf der die Fasern aufgrund der Biegeverformung komprimiert werden.
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1 zeigt schematisch eine Kippschutzstruktur 1 gemäß dem Stand der Technik, die einem seitlichen Stoß FL ausgesetzt ist. Die Kippschutzstruktur 1 weist vier Säulen 2 mit einem rechteckigen Querschnitt 3 auf, wie in 2 dargestellt.
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Die Säulen 2 unterliegen daher einem seitlichen Stoß FL, wie in 3 gezeigt. Aufgrund dieses seitlichen Stoßes FL biegen sich die Säulen, wie in 4 dargestellt, weiter durch die Komponente FLC der Kraft FL.
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Der Stoß FL wird daher direkt auf einer ersten Seite 4 des rechteckigen Querschnitts 3 ausgeübt.
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Der rechteckige Querschnitt 3 der Säulen hat eine Länge A1 und eine Breite B1, und das Profil hat die Dicke S1.
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Das Nachgeben der in 5 dargestellten Säulen beinhaltet die besondere Verformung des Querschnitts 5 der Säule 2 selbst in Übereinstimmung mit der Ebene A-A, wie in 6 dargestellt.
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Um dieses Problem zu überwinden, kann die Dicke des Profils erhöht und/oder die Qualität des Stahls erhöht werden, wodurch alle wirtschaftlichen Vorteile verloren gehen.
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Eine andere mögliche Lösung für das obige Problem ist das Hinzufügen von Verstärkungsstreifen an der Außenseite des Profils, wodurch die Dicke nur auf Werte zurückgeführt wird, die seine Leistung wieder garantieren.
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Diese Lösung ist jedoch mühsam und daher wäre der wirtschaftliche Nutzen immer noch minimal.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kippschutzstruktur für Kabinen bereitzustellen, die die Probleme des Standes der Technik löst und die Sicherheitsstandards garantiert, die durch internationale Vorschriften vorgesehen sind.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kippschutzstruktur für Kabinen mit geringem Gewicht zu erzielen.
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Diese und andere Aufgaben werden alle erfindungsgemäß durch eine Kippschutzstruktur für Kabinen erreicht, die mindestens zwei Säulen und eine an den mindestens zwei Säulen befestigte obere Struktur umfasst, wobei die Kippschutzstruktur einer Seitenkraft ausgesetzt ist, wobei mindestens eine Säule innen hohl ist und eine der Seitenkraft zugewandte Fläche umfasst.
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Insbesondere ist die erfindungsgemäße Kippschutzstruktur dadurch gekennzeichnet, dass die der Seitenkraft zugewandte Fläche einen Querschnitt umfasst, der mindestens zwei Segmente umfasst, die nicht parallel zueinander sind. Die mindestens zwei Segmente sind vorteilhaft unmittelbar nebeneinander angeordnet oder Grenzen aneinander
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Vorteilhafterweise kann die der Seitenkraft zugewandte Fläche einen Querschnitt umfassen, der mindestens drei Segmente umfasst, die nicht parallel zueinander sind. Die mindestens drei Segmente sind vorteilhaft unmittelbar nebeneinander angeordnet.
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Ferner können der eine oder die mehreren Säulen, die eine der Seitenkraft zugewandte Fläche umfassen, einen sechseckigen Querschnitt aufweisen.
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Vorteilhafterweise können der eine oder die mehreren Säulen, die eine der Seitenkraft zugewandte Fläche umfassen, einen achteckigen Querschnitt aufweisen.
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Der Querschnitt der einen oder der mehreren Säulen, die eine der Seitenkraft zugewandte Fläche umfasst, kann mindestens ein erste Partie und/oder einen ersten Wandabschnitt enthalten, die bzw. der angepasst ist, weitere Elemente der Kippschutzstruktur aufzunehmen.
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Ferner kann der Querschnitt der einen oder der mehreren Säulen, die eine der Seitenkraft zugewandte Fläche umfasst, mindestens zwei miteinander verbundene Profile umfassen. Die miteinander verbundenen Profile können komplementär zueinander passend ausgestaltet sein. Vorteilhaft sind die miteinander verbundenen Profile quer zu ihrer jeweiligen Längserstreckung miteinander verbunden und/oder miteinander verbindbar. Die miteinander verbundenen Profile können in der Art von Halbschalen oder Teilschalen ausgestaltet sein, die aneinander ansteckbar und/oder miteinander durch eine Steckverbindung verbindbar sind. Die miteinander verbundenen Profile können sozusagen Halb-Profile oder Teil-Profile sein, die im aneinander angeordneten und/oder miteinander verbundenen Zustand ein Gesamtprofil und/oder einen geschlossenen Profilkörper und/oder jeweils eine Stütze oder Säule bilden.
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Weitere Eigenschaften und Details können aus der folgenden Beschreibung, die als nicht einschränkendes Beispiel angegeben ist, sowie aus den beigefügten Zeichnungstabellen, in denen:
- 1 ist eine schematische axonometrische Ansicht einer Kippschutzstruktur für Kabinen gemäß dem Stand der Technik;
- 2 ist eine Schnittansicht einer Säule der Kippschutzstruktur nach 1;
- 3 ist eine schematische Seitenansicht einer Säule der Kippschutzstruktur von 1, die einem seitlichen Stoß FL ausgesetzt ist;
- 4 ist eine schematische Seitenansicht der Säule von 3 in Biegung, da sie der Komponente FLC des seitlichen Stoßes FL unterliegt;
- 5 ist eine schematische Seitenansicht der Säulen 3 und 4, wobei der durch die Ebene A-A definierte Querschnitt nachgibt;
- 6 ist eine schematische Ansicht des Querschnitts der Säule von 5, der durch die Ebene A-A identifiziert ist;
- 7 ist eine schematische Ansicht des Querschnitts der Säule von 5, der durch die Ebene A-A gekennzeichnet und zur Erläuterung der Erfindung modifiziert ist;
- 8 ist eine axonometrische schematische Ansicht einer Kippschutzstruktur für Kabinen gemäß der Erfindung;
- 9 ist eine Schnittansicht einer Säule der Kippschutzstruktur von 8;
- 10 ist eine schematische Ansicht, die die Kraft darstellt, die auf einen Teil des Profils der 7 wirkt;
- 11 ist eine schematische Ansicht, die die auf einen Teil des Profils von
- 9 wirkende Kraft darstellt;
- 12 und 13 sind schematische Ansichten eines Teils der Profile von 2 und von 9;
- 14 bis 20 sind schematische Ansichten von aufrechten Profilen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung.
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Mit Bezug auf die 8 und 9 zeigt 10 eine erfindungsgemäße Kippschutzstruktur mit vier Säulen 12 mit einem achteckigen Querschnitt 14, wie in 9 dargestellt.
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Der achteckige Querschnitt 14 der Säulen 12 hat eine Länge A2 und eine Breite B2, und das Profil hat eine Dicke S2.
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Der achteckige Querschnitt 14 ist in seiner Breite durch drei Segmente definiert, von denen das zentrale Segment 16 eine Länge C hat.
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Die Säulen 12 mit achteckigem Querschnitt 14 haben eine größere Biegefestigkeit als die Säulen 2 mit rechteckigem Querschnitt 3 bei gleicher Breite und Länge sowie Dicke.
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Im Folgenden werden diese Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kippschutzstruktur 10 in Bezug auf die Kippschutzstruktur 1 nach der bekannten Technik verifiziert.
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Zunächst wird angenommen, dass die Länge A1 und die Breite B1 des rechteckigen Querschnitts 3 gemäß dem Stand der Technik gleich der Länge A2 und der Breite B2 des achteckigen Querschnitts 14 der erfindungsgemäßen Kippschutzstruktur 10 sind.
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Weiterhin werden auch die Dicke S1 des Profils der Säulen 2 der Kippschutzstruktur 1 gemäß dem Stand der Technik und die Dicke S2 des Profils der Säulen 12 der Kippschutzstruktur 10 gemäß der Erfindung als gleich angesehen.
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Die Querschnitte müssen ein widerstandsfähiges Biegemoment aufweisen, das größer ist als das durch die Kraft FL erzeugte Moment.
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Die Verformung der Säule wird insbesondere an dem in 6 gezeigten verformten Querschnitt 5 analysiert.
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Mit anderen Worten, an der Fläche der Säule 2, an der die Fasern komprimiert werden, hat die Dicke nicht genügend Trägheit, um die Geometrie des Querschnitts aufrechtzuerhalten, und kollabiert unter der Spitzenlast für die oder wegen der Kompression der Fasern.
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Im Wesentlichen, zur weiteren Vereinfachung, führt die Spitzenlast zu einer Biegung der Seite des Rechtecks. Das heißt, die Kraft, die die Fasern nach innen drückt, überwindet den Widerstand der Seite selbst.
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In 7 ist der vereinfachte rechteckige Querschnitt 6 auf vereinfachte Weise dargestellt, wobei die durch die Spitzenlast induzierte Kraft F auf die Hälfte der ersten Seite 4 wirkt, wodurch sich dieselbe erste Seite 4 an dem Punkt größter Belastung nach innen biegt.
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In 10 ist es daher möglich, den Träger, der der ersten Seite 4 des rechteckigen Querschnitts 6 entspricht, ideal darzustellen. Dies ist der Teil des Semilateralen, der F unterworfen ist, für eine Tiefe, die als „P“ definiert ist.
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Das belastbare Biegemoment wird als Mf identifiziert und ist gleich
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In Anbetracht dessen, dass die Fähigkeit, dem Biegemoment zu widerstehen, proportional zum Trägheitsmoment ist und dass das Trägheitsmoment proportional zur dritten Potenz der Dicke ist, gilt insbesondere:
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Um sicherzustellen, dass der Querschnitt der Säule in einem Zustand ist, in dem sie dem Biegemoment Mf widersteht, kann daher ein Querschnitt mit einer Geometrie entworfen werden, die den Wert dieses Biegemoments senkt.
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Insbesondere besteht eine Möglichkeit darin, den Kraftarm zu verkürzen, der im Fall des rechteckigen Querschnitts 4 gleich B1/2 ist.
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Tatsächlich hat der achteckige Querschnitt 14 der Säulen 12 die Dicke S2, die Gesamtabmessungen (A2 und B2) sowie Stahlqualitäten, die im Wesentlichen denen des rechteckigen Querschnitts 4 der Säulen 2 gemäß zuvor definierten Hypothesen entsprechen.
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Der achteckige Querschnitt 14 hat jedoch die Seite 16 orthogonal zur Kraft F und ist daher unter Spannung. Die Seite 16 hat eine Länge gleich C, die kleiner als die Länge B1 ist, wie in 11 gezeigt.
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Unter der Annahme, dass die Kraft F für beide Fälle gleich ist und C/2 kleiner als B1/2 ist, ist folglich auch das Biegemoment des achteckigen Querschnitts 14 kleiner als das Biegemoment des rechteckigen Querschnitts 3, d.h. Mf2 <Mf1.
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Bei gleicher Dicke und gleichem Trägheitsmoment, das niedriger als das Biegemoment ist, ist die auf der Seite 16 erzeugte Spannung geringer und wäre daher auch aus einem achteckigen Querschnitt mit einer geringeren Dicke in Bezug auf den rechteckigen Querschnitt mit der Dicke, die für die Festigkeit der Struktur ausreichend ist, haltbar.
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Wie in den 12 und 13 dargestellt, besteht ein weiterer Vorteil, der durch die winklige und/oder polygonale Gestalt der dem Stoß F unterworfenen Seite des Querschnitts gegeben ist, in der Trägheit der Seite selbst.
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Die winklige und/oder polygonale Gestalt verleiht der Stirnfläche des Rohrs, das der Spitzenlast ausgesetzt ist, tatsächlich eine größere Trägheit.
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In der Tat, vorausgesetzt dass die maximale oder grobe oder durchschnittliche Grundfläche P2 des achteckigen Querschnitts 14 größer ist als die maximale oder grobe oder durchschnittliche Grundfläche P1 des rechteckigen Querschnitts 3 und unter Berücksichtigung, dass das Trägheitsmoment proportional zum Quadrat oder Kubik der Profildicke ist, besteht eine größere Stabilität bei der Spitzenlast auf der Außenseite der Säule 12, die mit dem achteckigen Querschnitt 14 konstruiert ist, wenn diese der durch die Beugung der seitlichen Last auf sie induzierten Kompression ausgesetzt ist.
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Weiterhin können Varianten bereitgestellt werden, die als im Umfang der Erfindung enthalten gelten.
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Um beispielsweise eine Querschnittsseite mit winkliger und/oder polygonaler Gestalt zu erhalten, ist es möglich, Säulen mit Querschnitten unterschiedlicher Gestalt herzustellen, jedoch in jedem Fall mit einem größeren Widerstand als die Säulen 2 gemäß dem Stand der Technik.
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Die 14 bis 20 zeigen einige Querschnitte sowohl für Profile als auch für Blechkastenprofile gemäß der Erfindung. Die Hauptformen sind achteckig und sechseckig, und im Fall der Querschnitte 18 und 20 können sie jeweils erste Partien oder Wandabschnitte 22 und zweite Partien oder Wandabschnitte 24 umfassen, in denen Elemente der Kabine wie Dichtungen oder andere untergebracht werden können.
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Insbesondere kann, wie in den 15 bis 18 gezeigt, die Säule mindestens zwei miteinander verbundene Profile umfassen.
