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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Tragelement für ein Fahrzeug, wie zum Beispiel
einen Türaufprall-Schutzträger, welcher
ein Türversteifungselement,
ein Säulenversteifungselement,
ein Stoßfängerversteifungselement
usw. ist, der eine ausgezeichnete Biegefestigkeit und Energieabsorptionsverhalten
zeigen kann, und ferner eine Gewichtsreduzierung führen kann,
und eine unter Verwendung des Tragelementes für ein Fahrzeug hergestellte
Fahrzeugkarosserie.
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Stand der Technik
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Bis
heute wurde ein Tragelement für
ein Fahrzeug, wie zum Beispiel ein Türaufprallschutzträger, welcher
ein Türversteifungselement
ist, in verbreitet zur Gewährleistung
der Sicherheit eines Fahrers im Falle einer Seitenkollision eines
Fahrzeugs eingesetzt. Als ein Türaufprall-Schutzträger wurde
ein Rohr aus höchst zugfestem
Stahl eingesetzt, um Kollisionssicherheit zu gewährleisten und einen niedrigen
Kraftstoffverbrauch durch Gewichtsreduzierung zu erzielen. Als Material
für ein
derartiges Stahlrohr wurde im Allgemeinen ein Material mit einer
Zugfestigkeit von mindestens 1400 MPa und einem Querschnitt mit
einem perfekten Kreis eingesetzt.
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Es
ist derzeit erforderlich, den Kraftstoffverbrauch durch die Reduzierung
des Gewichtes von Fahrzeugkomponenten und dergleichen weiter zu
reduzieren, und somit ist ein Türaufprall-Schutzträger mit
geringerem Gewicht erforderlich. Daher ist ein Türaufprall-Schutzträger mit
der dünnst
möglichen
Wanddicke erwünscht.
Da jedoch ein Türaufprall-Schutzträger zur
Gewährleistung
der Sicherheit zum Kollisionszeitpunkt verwendet wird, und eine über einen
bestimmten Wert hinausgehende Biegefestigkeit und Energieabsorptionsverhalten
sicherstellen muss, hat die Gewichtsreduzierung eines herkömmlichen
Türaufprall-Schutzträgers mit
einem Querschnitt einer perfekten Kreises einen Grenzwert erreicht.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Tragelementes für
ein Fahrzeug, wie zum Beispiel eines Türaufprall-Schutzträgers, welcher
ein Türversteifungselement,
ein Säulenversteifungselement,
ein Stossfängerversteifungselement
usw. ist, welches in der Lage ist, die vorstehend erwähnten herkömmlichen
Probleme mittels einer Biegefestigkeit und einem Energieabsorptionsverhalten
gleich oder besser als dem eines herkömmlichen Stahlrohrs mit kreisrundem
Querschnitt zu lösen,
wenn eine Fahrzeugkollision (zum Beispiel eine Frontalkollision,
eine Seitenkollision usw.), insbesondere eine Seitenkollision auftritt,
und die ferner in der Lage ist, eine weitergehende Gewichtsreduzierung
als ein herkömmliches
Tragelement zu erzielen, und einer unter Verwendung des Tragelementes
für ein
Fahrzeug hergestellten Fahrzeugkarosserie.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung entstand zur Lösung der vorstehend erwähnten Probleme
und der Erfindungsgedanke der vorliegenden Erfindung ist wie folgt:
- (1) Ein Tragelement für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet,
dass es aus einem hochfesten Stahlrohr mit einer Materialeigenschaft
von mindestens 1400 MPa in der Zugfestigkeit und mindestens 5% Längung bzw.
Dehnung besteht, und auch eine Querschnittskonfiguration mit einem
geschlossenen Querschnittsaufbau und einer Querschnittskonfiguration,
welche dem Ausdruck<1> genügt, wenn
a als die maximale Länge
der Querschnittskonfiguration in der Längsrichtung definiert ist,
wenn b als deren maximale Länge in
der Richtung senkrecht zu der besagten Richtung definiert ist, wenn
L als deren Umfangsrichtung definiert ist, und wenn t als die Wanddicke
des Stahlrohrs definiert ist,
- (2) Ein Tragelement für
ein Fahrzeug nach Punkt (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittskonfiguration
einen geradlinigen Abschnitt an wenigstens einem Abschnitt der Seiten
enthält.
- (3) Ein Tragelement für
ein Fahrzeug nach Punkt (1), dadurch gekennzeichnet, dass alle Seiten
der Querschnittskonfiguration mit Krümmungen ausgebildet sind.
- (4) Ein Tragelement für
ein Fahrzeug nach Punkt (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittkonfiguration
eine Ellipse ist.
- (5) Ein Tragelement für
ein Fahrzeug nach einem der Punkte (1) bis (4), dadurch gekennzeichnet,
dass das Element so angeordnet ist, dass die Längsrichtung seiner Querschnittskonfiguration
mit der Kollisionsrichtung einer Fahrzeugkarosserie zusammenfällt, wenn
das Tragelement an der Fahrzeugkarosserie befestigt ist.
- (6) Ein Tragelement für
ein Fahrzeug nach einem der Punkte (1) bis (4), dadurch gekennzeichnet,
dass das Element als ein Türaufprall-Schutzträger verwendet
wird, der so angeordnet ist, dass die Längsrichtung seiner Querschnittskonfiguration
mit der Richtung des Seitenaufpralls einer Tür übereinstimmt, wenn das Tragelement
an der Tür
befestigt ist.
- (7) Eine Fahrzeugkarosserie, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Tragelement für
ein Fahrzeug nach einem der Punkte (1) bis (6) so angeordnet ist,
dass die Längsrichtung
der Querschnittskonfiguration des Tragelementes mit der Kollisionsrichtung
der Fahrzeugkarosserie zusammenfällt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen ist:
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1 eine
graphische Darstellung welche die Beziehung von b/a zwischen der
maximalen Belastung und der absorbierten Energie, wenn vierseitige
Träger,
welche ein identisches Gewicht wie ein Träger mit einem runden Querschnitt
mit einem Durchmesser von 31,8 mm × einer Dicke von 1,6 mm haben,
unter unterschiedlichen geänderten
Verhältnissen
von b/a, einem Dreipunkt-Biegetest bei einer Spannweite von 950
mm unterworfen werden.
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2 eine
graphische Darstellung, die ein Beispiel der Beziehung zwischen
der Wanddicke t und der Umfangslänge
L darstellt.
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3 eine
graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Auslenkung
und der Belastung darstellt, wenn die Teststücke einen Dreipunkt-Biegetest
bei der Spannweite von 950 mm unterworfen werden.
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4 eine
Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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5 eine
Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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6 eine
Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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7 eine
Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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8 eine
Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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9 eine
graphische Darstellung, welche die Ergebnisse des Dreipunkt-Biegetestes
in den Erfindungsbeispielen und den Vergleichsbeispielen darstellt.
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10 eine
graphische Darstellung, welche die absorbierte Energie in dem Dreipunkt-Biegetest
darstellt.
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Beste Ausführungsart der Erfindung
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
werden hierin nachstehend erläutert,
indem als ein Beispiel der Fall angenommen wird, in welchem ein
Tragelement für
ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung als ein Türaufprall-Schutzträger verwendet
wird, der an einer Fahrzeigkarosserie befestigt ist, und indem auf
die Zeichnungen Bezug genommen wird.
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Ein
Türaufprall-Schutzträger gemäß der vorliegenden
Erfindung wird aus einem Rohr mit aus hochfestem Stahl ausgebildet,
dessen Querschnitt senkrecht zu der Längsachse eine geschlossene
Querschnittsstruktur aufweist, wobei das Stahlrohr aus einem Stahlband
mit einer Materialeigenschaft von mindestens 1400 MPa Zugfestigkeit
und mindestens 5% Längung
und einer chemischen Zusammensetzung, die in Gewichtsprozent beispielsweise
C: 0,24%, Si: 0,25%, Mn: 2,4%, Cr: 0,5%, Mo: 0,7%, Ti: 0,03%, B:
20 ppm, und den Rest bestehend aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen
enthält,
hergestellt ist.
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Die
Querschnittskonfiguration genügt
dem Ausdruck<1>, wenn a als die maximale
Länge der
Querschnittskonfiguration in der Längsrichtung definiert ist,
wenn b als deren maximale Länge
in der Richtung senkrecht zu der besagten Richtung definiert ist,
wenn L als deren Umfangsrichtung definiert ist, und wenn t als die Wanddicke
des Stahlrohrs definiert ist,
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Bevorzugt
ist der Träger
so angeordnet, dass die Längsrichtung
seiner Querschnittskonfiguration mit der Richtung der Seitenkollision
zusammenfällt,
wenn der Träger
an einer Tür
befestigt ist.
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Die
Querschnittskonfiguration eines Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung
ist auf der Basis der Konfiguration ausgelegt, welche einem Rechteck
einbeschrieben ist, wovon jeder Eckenabschnitt in der Form eines
Kreisbogens abgerundet ist. Durch die Ausbildung jedes Eckenabschnittes
in einer Form eines Kreisbogens wird das Auftreten von Rissen und
Ausknicken, das durch zu hohe Zugspannungskonzentration an jedem Eckenabschnitt
bewirkt wird, wenn eine Stosslast aufgebracht wird, verhindert.
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Die
Gründe
für die
Einschränkung
der vorstehend erwähnten
Abmessungen der Querschnittskonfiguration werden hierin nachstehend
erläutert.
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(1)
Zuerst werden die einschränkenden
Bedingungen von b/a erläutert.
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1 ist
eine graphische Darstellung, welche die Biegeeigenschaft in Form
der maximalen Belastung und der absor bierten Energiemenge darstellt,
wenn Stahlrohre mit einer identischen Querschnittsfläche dem Dreipunkt-Biegetest
mit einer aus derselben Richtung wie der Längsrichtung der Querschnittskonfiguration aufgebrachten
Belastung unter Veränderung
der Werte von b/a unterworfen werden.
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Wenn
der Wert von b/a allmählich
von einer runden Form (b/a = 1) reduziert wird, nehmen sowohl die maximale
Belastung als auch die absorbierte Energie zu, und sie nehmen sehr
stark in dem Bereich von 0,65 ≤ b/a ≤ 0,75 zu.
In dem Bereich von b/a ≤ 0,65
wird, obwohl sich die Biegeeigenschaft weiter verbessert, die lange
Seite a (die maximale Länge
in der Längsrichtung)
im Vergleich zu der kurzen Seite b (der maximalen Länge in der
Richtung senkrecht zu der Längsrichtung)
zu groß,
so dass die Träger
in ihren Konfigurationen instabil werden, eine Verdrehung und Rotation
der Träger
zum Zeitpunkt einer Seitenkollision auftritt und daher das ursprüngliche
Verhalten der Träger
nicht nachgewiesen werden kann und ein Sicherheitsproblem auftreten kann.
Ein weiteres mögliches
Problem besteht darin, dass der Träger aufgrund räumlicher
Einschränkungen nicht
in der Tür
untergebracht werden kann.
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Aus
diesem Grunde wird b/a bevorzugt in einem Bereich von 0,65 ≤ b/a ≤ 0,75 gehalten.
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(2)
Zweitens werden die einschränkenden
Bedingungen von t/L erläutert.
Um eine wirksame Querschnittskonfiguration für die Gewährleistung der Sicherheit zum
Zeitpunkt einer Kollision zu ermitteln, ist zusätzlich zu dem Wert von b/a
das Verhältnis
der Wanddicke t zu der Umfangslänge
L, nämlich
t/L, ein wichtiger Parameter.
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2 ist
eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen t und
L darstellt, wenn b/a sich in dem vorstehenden Bereich (0,65 ≤ b/a ≤ 0,75) befindet.
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In
dem Bereich von t/L < 0,014
liegt, da L im Vergleich zu t groß ist, eine Ausknicktendenz
vor und eine Rissbildungstendenz liegt nach dem Ausknicken vor.
Andererseits liegt in dem Bereich von t/L > 0,020, obwohl die Biegeeigenschaft gut
ist, eine Gewichtszunahmetendenz vor, da t im Vergleich zu L groß ist und
dieses der Zielsetzung der Erfindung widerspricht.
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Wenn
ein Träger
an einer tatsächlichen
Türe befestigt
wird, ist zusätzlich
zu dem Einschränkungsbereich
von 0,014 ≤ t/L ≤ 0,020, L
durch den Raum in der Tür
für die
Befestigung des Trägers
beschränkt
und t ist durch das Erfordernis der Gewichtsreduzierung beschränkt. Ferner
müssen
sich L und t in dem Bereich befinden, in welchem der Träger eine
ausreichende Biegeeigenschaft besitzt, und der optimale Bereich
(der Bereich der schrägen
Linien in 2, in dem Falle von K = 140)
ist der Bereich, in welchem das Produkt von L und t dem Ausdruck
L × t > K genügt (hier
ist K durch das Erfordernis für
das Verhalten einer Tür
bestimmt ist).
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Je
größer die
Massenverteilung von der neutralen Achse des Trägerquerschnittes senkrecht
zu der Längsrichtung
des Trägers
entfernt ist, desto mehr verbessert sich die Biegesteifigkeit in
der Richtung senkrecht zu der Richtung der Längsachse des Trägers (Stahlrohr).
Daher ist die Querschnittskonfiguration eines Trägers bevorzugt beispielsweise
ein Oval mit geradlinigen Abschnitten entlang den zwei langen Seiten
gemäß Darstellung
in 4 oder eine im Wesentlichen rechteckige Form mit
geraden Abschnitten entlang den zwei langen Seiten und zwei kurzen
Seiten senkrecht zu den Längsseiten
gemäß Darstellung
in den 5 und 6, da die Biegesteifigkeit in
der Richtung senkrecht zu der Richtung der Längsachse des Trägers (Stahlrohr)
stark verbessert wird.
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Wenn
die langen Seiten geradlinige Abschnitte besitzen, besteht eine
Tendenz zur Verbesserung der Biegesteifigkeit in der Richtung senkrecht
zu der Richtung der Längsachse
des Trägers
(Stahlrohr), aber auch zu einer Erhöhung der Rissbildung nach dem
Auftreten von Ausknicken. Zur Minderung der durch Ausknicken verursachten
Rissbildung weist die Querschnittskonfiguration bevorzugt nach außen konvexe
Krümmungen entlang
der langen Seiten gemäß Darstellung
in 7 auf.
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Im
Falle eines Trägers
mit einer ovalen Querschnittskonfiguration, in welcher die langen
Seiten und die kurzen Seiten miteinander über glatte Krümmungen
gemäß Darstellung
in 8 verbunden sind, tritt, obwohl eine Tendenz vorliegt,
die Beibehaltung der ovalen Konfiguration instabil zu machen und
Verdrehungen und Biegungen zum Kollisionszeitpunkt zu erzeugen,
kaum ein Ausknicken auf, und die durch das Ausknicken bewirkte Rissbildung
wird extrem klein, weshalb eine ovale Querschnittsform bei einen
Träger
angewendet werden kann.
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(3)
Drittens wird die Anordnung eines Trägers in einer Tür oder einer
Fahrzeugkarosserie erläutert.
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Da
die Querschnittskonfiguration eines Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung
nicht in allen Richtungen gleich (anisotrop) ist, was sie von einem
kreisrunden Querschnittskonfiguration unterscheidet, wird bevorzugt
die Querschnittskonfiguration richtungsabhängig gemacht, so dass der Träger die
maximale Biegeeigenschaft zeigen kann, wenn der Träger in einer
Tür angeordnet
ist. Das heißt,
dass man bevorzugt den Träger so
angeordnet, dass die Längsrichtung
der Querschnittskonfiguration des Trägers mit der Richtung der Seitenkollision
zusammenfällt,
wenn der Träger
an einer Tür
befestigt ist. Wenn ein Element an einer Fahrzeugkarosserie befestigt
wird, ordnet man bevorzugt das Element so an, dass die Längsrichtung
der Querschnittskonfiguration des Elementes mit der Kollisionsrichtung übereinstimmt.
Dieses beruht darauf, dass das Element eine bessere Biegesteifigkeit
in derselben Richtung wie der Längsrichtung
der Querschnittskonfiguration wie vorstehend beschrieben aufweist.
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Ein
Tragelement gemäß der vorliegenden
Erfindung kann auch als ein Säulenversteifungselement,
ein Stossfängerversteifungselement
oder ein Tragelement für
eine Fahrzeigkarosserie zusätzlich
zu einem Türaufprallschutzträger verwendet
werden.
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Beispiel
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Träger mit
Querschnittskonfigurationen mit den in den Beispielen 1 bis 3 von
Tabelle 1 dargestellten Abmessungen und verschiedenen Verhältnissen
wurden einem Dreipunkt-Biegetest
(Geschwindigkeit: 2 mm/s, Eindrückung:
200 mm) bei einer Spannweite von 950 mm (I = 950 mm) unterworfen.
Die Ergebnisse waren in der Bewertung sowohl der maximalen Belastung
als auch der absorbierten Energie zufrieden stellend. Andererseits
wurden als Vergleichsbeispiele ein herkömmlicher Trägertyp mit einem kreisrunden
Querschnitt mit 31,8 mm Durchmesser und 1,8 mm Wanddicke (Vergleichsbeispiel
1) und ein Leichtgewichtsträger
mit einem kreisrunden Querschnitt von 31,8 mm Durchmesser und 1,6
mm Wanddicke (Vergleichsbeispiel 2) in gleicher Weise dem Dreipunkt-Biegetest
unterworfen. Hier entsprechen die Beispiele 1, 2 und 3 den 4, 5 beziehungsweise
6. 3 stellt die Last-Auslenkungs-Kurven des Beispiels 2 und der Vergleichsbeispiele
1 und 2 in dem Dreipunkt-Biegetest dar. Es sollte angemerkt werden,
dass die absorbierte Energie in dem mit den schrägen Linien an dem unteren Abschnitt
der vorstehend erwähnten
Last-Auslenkungs- Kurve
angegebenen Bereich, der in dem Dreipunkt-Biegetest gemäß Darstellung
in 10 liegt.
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Die
Ergebnisse der maximalen Belastung und der absorbierten Energie,
die durch Unterwerfen der Beispiele und Vergleichsbeispiele unter
den Dreipunkt-Biegetest erhalten wurden, sind in 9 dargestellt.
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Wie
es aus den Ergebnissen ersichtlich ist, wurde bestätigt, dass
die Träger
gemäß der vorliegenden Erfindung,
obwohl sie dasselbe Gewicht wie der Leichtgewichtsträger mit
dem runden Querschnitt von 31,8 mm im Durchmesser und 1,6 mm Wanddicke
haben, dasselbe Verhalten sowohl bezüglich der maximalen Belastung
als auch der absorbierten Energie wie der Träger mit dem runden Querschnitt
von 31,8 mm im Durchmesser und 1,8 mm Wanddicke hatten, und zeigten
ausgezeichnetes Konfigurationsverhalten (
9). TABELLE 1
| | Zugfestigkeit (MPa) | Längung (%) | Abmessungen | Maximale Belastung(kN) (1950 mm) | Absorbierte Energie (J) (I = 950 mm) |
| a | b | L | t | b/a | t/L |
| Beispiel
1 | 1608 | 12.2 | 34 | 24.5 | 34 | 1.6 | 0.72 | 0.016 | 10.59 | 1427 |
| Beispiel
2 | 1625 | 11.8 | 33 | 23 | 100 | 1.6 | 0.70 | 0.016 | 11.18 | 1484 |
| Beispiel
3 | 1636 | 11.2 | 34 | 22 | 100 | 1.6 | 0.65 | 0.016 | 11.43 | 1539 |
| Vergleichsbeispiel | 1642 | 12.2 | 31.8 | 31.8 | 100 | 1.6 | 1.00 | 0.016 | 9.07 | 1058 |
| Vergleichsbeispiel
2 | 1651 | 12.7 | 31.8 | 31.8 | 100 | 1.8 | 1.00 | 0.016 | 10.69 | 1422 |
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie
es der vorstehenden Erläuterung
ersichtlich ist, ermöglicht
es die vorliegende Erfindung das Gewicht eines Tragelementes für ein Fahrzeug
(beispielsweise einen Türaufprall-Schutzträger, welcher
ein Türversteifungselement,
ein Säulenversteifungselement,
ein Stossfängerversteifungselement
ist) und einer Fahrzeugkarosserie zu reduzieren, indem hohe Biegefestigkeit
und hohes Energieabsorptionsverhalten im Vergleich zu einem herkömmlichen
Stahlrohr mit kreisrundem Querschnitt nachgewiesen wird, wenn eine
Fahrzeugkollision, insbesondere eine Seitenkollision auftritt.
