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Die
Erfindung betrifft eine Zugstrebe einer Seitenaufprallschutz-Anordnung
für Kraftfahrzeuge.
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Seitenaufprallschutz-Anordnungen
für Kraftfahrzeuge sind vielfältig bekannt.
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Aus
der
DE 195 19 509
A1 ist eine Zugstrebe einer Seitenaufprallschutz-Anordnung
für eine Tür eines Kraftfahrzeuges bekannt. Die
Zugstrebe ist ein längliches Band mit endseitigen Einspannbereichen und
einem dazwischenliegenden, mittleren Bereich. Ferner ist die Zugstrebe
zum hochkantigen Einbau in ein Fahrzeug ausgebildet. Es werden verschiedene Werkstoffe
genannt, die für eine Fahrzeugtür in Frage kommen.
So können für den Türrahmen, die Zugstrebe
oder andere Türteile die Werkstoffe Aluminium, Stahl oder
Faserverbundwerkstoff zum Einsatz kommen.
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Aus
der
DE 600 07 019
T2 ist eine weitere Zugstrebe einer Seitenaufprallschutz-Anordnung
für Kraftfahrzeuge bekannt. Die Zugstrebe ist ein Seil, das
aus Kunststofffasern gefertigt ist.
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Anstelle
einer Zugstrebe zeigt die
DE 10 2004 034 124 A1 einen Biegeträger,
der als Aufprallschutz dient.
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Eine
Kombination aus Biegeträger und Zugstrebe geht aus der
DE 44 23 687 A1 und
DE 44 23 741 A1 hervor.
Der Biegeträger ist als Hohlprofil ausgebildet. Wenn der
Biegeträger bricht, dann übernimmt die Zugstrebe
die weitere Aufnahme der Energie des Aufpralls.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Zugstrebe einer Seitenaufprallschutz-Anordnung
für Kraftfahrzeuge zu schaffen, die bei geringem Gewicht
einen hohen Schutz für die Fahrzeuginsassen bietet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruches 1 gelöst.
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Die
Zugstrebe einer Seitenaufprallschutz-Anordnung für Kraftfahrzeuge
ist ein längliches Band mit endseitigen Einspannbereichen
und einem dazwischenliegenden, mittleren Bereich. Die Zugstrebe
ist zum hochkantigen Einbau in ein Fahrzeug ausgebildet. Die Zugstrebe
wird in einer Höhe angeordnet, in der ein Seitenaufprall
erwartet wird. Durch die bandartige Ausbildung und den hochkantigen
Einbau trifft ein Eindringkörper mit einer hohen Wahrscheinlichkeit
auf die flächig ausgebildete Zugstrebe auf, die im Gegensatz
zu einem Seil nicht verrutschen kann. Die Zugstrebe besteht aus
mehreren, durchgehenden Fasermaterialbahnen und einer Matrix aus
einem Kunststoff. Damit liegt ein faserverstärkter Kunststoff
vor, der in bekannter Weise eine hohe gewichtsbezogene Festigkeit
aufweist. Besondere Vorteile ergeben sich daraus, dass die Matrix
im Einspannbereich und im mittleren Bereich derart unterschiedlich
ausgebildet ist, dass die Zugstrebe im Einspannbereich biegesteif
und im mittleren Bereich biegeweich ist. Mit der biegeweichen Ausbildung
des mittleren Bereiches treten nur geringe Schubspannungen zwischen
den einzelnen Fasermaterialbahnen auf. Hohe Schubspannungen würden
die Fasermaterialbahnen im mittleren Bereich vorzeitig zum Versagen
führen. Die Fasermaterialbahnen werden überwiegend
in Richtung ihrer Längsachse auf Zug beansprucht. Anders
ausgedrückt, lässt die biegeweiche Ausbildung
des mittleren Bereiches keine hohen Schubspannungen zu. Daher werden
die Fasermaterialbahnen in einer Art belastet, in der sie sehr hohen
Belastungen standhalten können. Bei einer idealisierten
Grenzfallbetrachtung wirkt eine reine Zugbelastung auf die Fasermaterialbahnen
ein. Aufgrund der biegeweichen Ausbildung des mittleren Bereiches
erhält man ein auf Zug hochbelastbares, flexibles Band
oder ein flexibles Bandseil. Anders verhält es sich mit
den Einspannbereichen, die biegesteif ausgebildet sind und daher
eine feste, sichere Einspannung ermöglichen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist die unterschiedliche Ausbildung
der Matrix zum Erhalt eines biegeweichen, mittleren Bereiches erhalten
durch erstens verschiedene Matrixmaterialien, und/oder zweitens
eine unterschiedliche Materialverteilung und/oder drittens durch
Trennschichten. Mit allen drei vorgenannten, abstrakt vorgestellten
Möglichkeiten erreicht man, dass der mittlere Bereich einem
flexiblen Zugband nahe kommt. Ein Grenzfall ergibt sich, wenn im
mittleren Bereich überhaupt kein Matrixmaterial die Fasermaterialbahnen
umgibt. Dann erhält man eine formlabile Zugstrebe. Dies
erschwert jedoch die Montage, die mit einer starren Zugstrebe einfacher
durchzuführen ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die unterschiedliche Ausbildung
der Matrix erhalten durch Einsatz eines festigkeitsniedrigen Matrixmaterials
im mittleren Bereich und eines festigkeitshohen Matrixmaterials
in den Einspannbereichen. Dies stellt eine Konkretisierung der zuvor
genannten ersten Möglichkeit der Matrixausbildung dar.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die unterschiedliche Ausbildung
der Matrix erhalten durch eine Verringerung der Matrixmenge im mittleren
Bereich der Zugstrebe. Dies stellt eine Konkretisierung der zuvor
genannten zweiten Möglichkeit der Matrixausbildung dar.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die unterschiedliche Ausbildung
der Matrix erhalten, indem im mittleren Bereich der Zugstrebe Trennschichten
zwischen einzelnen Bandschichten aus mindestens einer der durchgehenden
Fasermaterialschichten und der Matrix angeordnet sind.
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Dies
stellt eine Konkretisierung der zuvor genannten dritten Möglichkeit
der Matrixausbildung dar. Besonders vorteilhaft ist es hierbei,
wenn in den Einspannbereichen an Stelle der Trennschichten des mittleren
Bereichs Verstärkungsbandschichten angeordnet sind. Die
Verstärkungsbandschichten der Einspannbereiche stellen
Verlängerungen der Trennschichten des mittleren Bereichs
dar und können die mehrachsige Belastung der Einspannung
aufnehmen. Die Trennschichten des mittleren Bereichs und die zusätzlichen
Verstärkungsbandschichten des Einspannbereiches weisen
die gleiche Dicke auf. Dadurch ergibt sich eine einfache Form einer
Zugstrebe mit Flachseiten, die sich in gleichem Abstand gegenüberstehen.
Die Herstellung dieser planaren Zugstrebe ist kostengünstig.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Einspannbereich jeweils
geometrisch so geformt, dass eine formschlüssige Verbindung
mit einer am Kfz anbringbaren Halterung bildbar ist. Über einen
Formschluss lassen sich in einfacher Weise hohe Kräfte übertragen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Einspannbereich für
den Formschluss eine schwalbenschwanzförmige Verbreiterung
auf. Eine Schwalbenschwanzform lässt sich mit einem faserverstärkten
Kunststoff einfach ausbilden. Denn die Fasermaterialbahnen lassen
sich entsprechend zuschneiden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Einspannbereich Sollbruchflächen auf,
die Abscherflächen sind. Dies bietet sich bei einem Schwalbenschwanz-Formschluss
an. Durch die Abscherung wird Energie eines Seitenaufpralls aufgenommen.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Einspannbereich endseitig
einen Abschnitt mit eingefalteten Abknickungen aufweist. Nach einem
Abscheren der Sollbruchflächen sind die Abknickungen nach
Art einer Ziehharmonika ausziehbar. Hierdurch erreicht man eine
hohe Energieabsorption.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Einspannbereich für
den Formschuss mindestens eine Abknickung auf. Hierbei bleibt die
Höhe der Fasermaterialbahnen gleichbleibend. Die Knicke
lassen sich einfach in einer entsprechenden Form erhalten, wenn
das Matrixmaterial noch plastisch ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Einspannbereich Sollbruchflächen auf,
die zwischen zwei benachbarten Fasermaterialbahnen verlaufen. Hierdurch
gibt man vor, dass der Bruch der Zugstrebe im Einspannbereich erfolgen soll.
Während des Bruches wird ein Teil der Aufprallenergie in
Verformungsarbeit umgewandelt, indem der Matrixwerkstoff nach und
nach abgeschert wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend an Hand von Prinzipzeichnungen
näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine
Tür eines Kraftfahrzeuges mit einer Seitenaufprallschutz-Anordnung
mit einer Zugstrebe, in der Vorderansicht;
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1a die
in 1 eingezeichnete Einzelheit Ia, in vergrößerter
Darstellung im Längsschnitt;
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2 die
in 1 gezeigte Zugstrebe, in perspektivischer Darstellung
mit Ausbrüchen;
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2a die
in 2 eingezeichnete Einzelheit IIa, in vergrößerter
Darstellung;
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3 eine
zweite Ausführung einer Zugstrebe, in perspektivischer
Darstellung mit Ausbrüchen;
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3a den
in 3 gezeigten rechten Einspannbereich der Zugstrebe
mit zugehöriger Halterung, in der Draufsicht im Schnitt;
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4 eine
dritte Ausführung einer Zugstrebe, in perspektivischer
Darstellung mit Ausbrüchen;
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4a und 4b den
in 4 gezeigten linken Einspannbereich der Zugstrebe,
wobei
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4a einen
Anfangszustand und 4b einen ausgezogenen Zustand
zeigt, in der Vorderansicht im Schnitt.
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Die 1 zeigt
in Verbindung mit 1a eine Tür 50 einer
Seitenaufprallschutz-Anordnung für Kraftfahrzeuge. Die
Seitenaufprallschutz-Anordnung weist eine Zugstrebe 1 auf.
Die Zugstrebe 1 ist ein längliches Band mit endseitigen
Einspannbereichen 10 und einem dazwischenliegenden, mittleren
Bereich 20. Die Zugstrebe 1 ist zum hochkantigen
Einbau in ein Fahrzeug ausgebildet. Die Zugstrebe besteht aus mehreren,
durchgehenden Fasermaterialbahnen und einer Matrix aus einem Kunststoff.
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Im
Falle eines Seitenaufpralls mit zum Beispiel der Front eines anderen
Autos wird die Zugstrebe 1 im mittleren Bereich auf Zug
belastet. Die Zugkräfte werden über die Halterungen 51 in
die seitlichen, vertikalen Rahmenpfosten der Tür übertragen. Von
den Rahmenpfosten erfolgt eine Ableitung der Zugkräfte
in die A- und B-Säule des Fahrzeuges.
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Die
Matrix ist im Einspannbereich 10 und im mittleren Bereich 20 unterschiedlich
ausgebildet. Denn die Zugstrebe 1 ist im Einspannbereich 10 biegesteif
und im mittleren Bereich 20 biegeweich. Im mittleren Bereich
nähert man sich den Eigenschaften eines flexiblen, hochbelastbaren
Zugbandes an, das hohe Zugspannungen verträgt. Die Schubspannungen
in der Matrix zwischen den einzelnen Fasermaterialbahnen sind reduziert
und werden daher nur in einem geringerem Maße auf die Fasermaterialbahnen übertragen.
Dadurch werden die Fasermaterialbahnen in angestrebter Weise überwiegend
und gleichmäßig in Zugrichtung belastet und können
damit höhere Zugspannungen aufnehmen. Die starren Einspannenden
hingegen erlauben eine sichere, feste Einspannung. Die Biegesteifigkeit
ist in Richtung der Flachseite der Zugstrebe in den Einspannbereichen 10 mindestens
um den Faktor 4, insbesondere um den Faktor 16 und vorzugsweise
um den Faktor 32 größer als im mittleren Bereich 20.
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Die
unterschiedliche Ausbildung der Matrix 3 kann auf drei
Arten erreicht werden:
- • Erstens durch
Trennschichten 4, wie in 2 dargestellt,
und/oder
- • zweitens durch verschiedene Matrixmaterialien, wie
in 3 illustriert und/oder
- • drittens durch eine unterschiedliche Materialverteilung,
wie 4 zeigt.
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Alle
drei Ausbildungsarten der Matrix werden nachfolgend im Detail beschrieben.
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Die 2 illustriert
die erste Möglichkeit. Die unterschiedliche Ausbildung
der Matrix 3 ist erhalten, indem im mittleren Bereich 20 der
Zugstrebe 1 Trennschichten 4 zwischen einzelnen
Bandschichten 5 aus mindestens einer der durchgehenden
Fasermaterialschichten 2 und der Matrix 3 angeordnet
sind. Die Trennschicht 4 sorgt primär dafür,
dass die einzelnen Bandschichten 5 nicht miteinander verbunden
sind.
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Die 2a illustriert,
dass in den Einspannbereichen 10 an Stelle der Trennschichten 4 des
mittleren Bereichs 20 Verstärkungsbandschichten 6 angeordnet
sind. Der mittlere Bereich weist ausschließlich die Bandschichten 5 mit
den durchgehenden Fasermaterialbahnen 2 auf, deren Fasern
hauptsächlich in Längsrichtung der Zugstrebe 2 ausgerichtet sind.
Dadurch können die auftretenden Zugspannungen gut aufgenommen
werden. Anders sieht es in dem Einspannbereich 10 (2)
aus, der eine schwalbenschwanzförmige Verbreiterung 11 aufweist.
Da dort bei einem Seitenaufprall aufgrund der Ableitung der Kräfte
in das Halteteil 51 (1 und 1a)
ein mehrachsiger Spannungszustand herrscht, sind in diesem Bereich
zusätzliche Verstärkungsbandschichten 6 (2a)
angeordnet. Die zusätzlichen Verstärkungsbandschichten 6 weisen nicht
durchgehende, also kurze Fasermaterialbahnen auf. Die Fasern verlaufen
schräg oder quer zur Längsachse, so dass die Einspannkräfte
gut übertragen werden.
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Ferner
verdeutlicht die 2a den in Längsrichtung
vorliegenden Wechsel von der Trennschicht 4 zu der Verstärkungsbandschicht 6.
Hieraus ergeben sich besondere Wirkungen hinsichtlich Bauteilfunktion
und Bauteilherstellung. Hinsichtlich der Bauteilfunktion wird auf
eine sehr einfache Weise ein biegeweicher mittlerer Bereich 20 und
ein stabiler Einspannbereich 10 erzielt. Bezogen auf die
Bauteilherstellung ergeben sich Vereinfachungen dadurch, dass die
Dicke der Trennschicht 4 und die Dicke der Verstärkungsbandschicht 6 gleich
sind. In einem Fertigungsschritt vor dem Erhärten der Matrix
legt man im mittleren Bereich 20 zwischen den Bandschichten 5 Abstandshalter
in Form von Teflonbändern ein. Die Abstandshalter weisen
die gleiche Dicke wie die Verstärkungsbandschichten 6 auf.
Nach einem Erstarren der Matrix werden die Teflonbänder
wieder zur Gewichtseinsparung entnommen, so dass als Trennschicht 4 eine
Luftschicht verbleibt. Man erhält eine geometrisch einfach
aufgebaute Zugstrebe mit planparallelen Flachseiten.
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Die 3 illustriert
die zweite Möglichkeit der Matrixausbildung. Ein festigkeitsniedriges
Matrixmaterial 3a, wie ein Elastomer, ist im mittleren
Bereich 20 und ein festigkeitshohes Matrixmaterial 3b, wie
ein Duroplast oder Thermoplast, ist in den Einspannbereichen 10 eingesetzt.
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Die 4 illustriert
die dritte Möglichkeit. Die unterschiedliche Ausbildung
der Matrix 3 ist erhalten durch eine Verringerung der Matrixmenge
im mittleren Bereich 20 der Zugstrebe 1.
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Die
starren Einspannbereiche 10 erlauben eine geometrische
Formgebung, bei der eine formschlüssige Verbindung mit
einer am Kfz anbringbaren Halterung 51 (4a und 4b)
bildbar ist. Die 2 und 4 illustrieren,
dass der Einspannbereich 10 eine schwalbenschwanzförmige
Verbreiterung 11 aufweist. Die 3 illustriert,
dass der Einspannbereich 10 mindestens eine Abknickung 13 und 14 aufweist.
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Grundsätzlich
ist die Zugstrebe 1 so auslegbar, dass entweder der Versagensbruch
in einem der Einspannbereiche 10 oder im mittleren Bereich 20 erfolgt.
Die in den 1, 1a, 2 und 2a gezeigte
Zugstrebe 1 ist dafür ausgelegt, dass der Bruch
im mittleren Bereich 20 erfolgt. Die schwalbenschwanzförmige
Verbreiterung 11 ist entsprechend ausgelegt.
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Anders
verhält es sich bei den Zugstreben 1 der Ausführungen
nach der 3 und der 4. Dort
sind in den Einspannbereichen 10 Sollbruchflächen 15 bzw. 15' vorgesehen.
Ziel der Sollbruchflächen in den Einspannbereichen ist
es, einen Teil der Energie eines Seitenaufpralls dadurch aufzunehmen, dass
Arbeit durch Entstehung äußerer und innerer Brüche,
Verformungsarbeit und Reibungsarbeit geleistet wird. Dies wird näher
erläutert.
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Die 3a illustriert,
dass die Sollbruchflächen 15 des Einspannbereiches 10 zwischen
zwei Fasermaterialbahnen 2 oder interlaminar verlaufen. Diese
Sollbruchflächen 15 führen zu dem Schadensfall
der Delaminationen, die während des Ausziehens der Abknickungen
aus der Halterung 51 entstehen. Die Parameter, um ein vorherbestimmtes,
interlaminares Versagen zu erzielen, sind beispielsweise die Dicke
der Strebe, der Knickwinkel und die Ausbildung der Fasermaterialbahnen
und der Matrix.
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Dagegen
illustrieren die 4a und 4b, dass
der Einspannbereich 10 Sollbruchflächen 15' aufweist,
die Abscherflächen sind. Die Abscherflächen verlaufen
translaminar. Geometrisch gesehen werden die beiden überstehenden
Schwalbenschwanzdreiecke abgeschert, wobei ein Teil der Energie
des Seitenaufpralls hierzu aufgewendet wird. Dadurch kann die Energieaufnahme
im Falle eines Seitenaufpralls erhöht werden, ohne damit
die Maximalkräfte und damit die Belastung des Türrahmens bzw.
der A- und B-Säule wesentlich zu erhöhen. Nicht
mit dargestellt ist in 4, dass im Einspannbereich 10 zusätzliche
Verstärkungsbandschichten angeordnet sind, die Fasermaterialbahnen
aufweisen, deren Fasern schräg und quer zur Längsrichtung
verlaufen, um den Einspannkräften standzuhalten.
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Die 4 illustriert
am rechten Ende der Zugstrebe 1 eine Abwandlung. Hierbei
weist der Einspannbereich 10 endseitig zusätzlich
einen Abschnitt 17 mit eingefalteten Abknickungen 18 auf.
Die Ausbildung ist derart, dass nach einem Abscheren der Sollbruchflächen 15' (4b)
die Abknickungen 18 des Abschnitts 17 nach Art
einer Ziehharmonika ausziehbar sind, um einen weiteren Energiebetrag
absorbieren zu können. Die Abknickungen 18 werden
durch die angedeutete, nur teilweise dargestellte Halterung 51 hindurchgezogen.
Bei dem Auseinanderziehen der Abknickungen 18 kommt es
zu Delaminationen. Die Fasermaterialbahnen des Abschnitts 17 können zusätzlich
vernäht sein, um die Auszieharbeit zu erhöhen.
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In
Abweichung zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann die
Zugstrebe auch in den Hintertüren eingebaut sein. Wenn
das Kraftfahrzeug keine Hintertüren aufweist, kann die
Zugstrebe über die endseitigen Halterungen unmittelbar
an der B- und C-Säule montiert sein. Im Hinblick auf die 1 ist
es auch möglich, zwei übereinander angeordnete Zugstreben 1 vorzusehen.
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- 1
- Zugstrebe
- 2
- durchgehende
Fasermaterialbahn
- 3
- Matrix
- 3a
- erstes
Matrixmaterial
- 3b
- zweites
Matrixmaterial
- 4
- Trennschicht
- 5
- Bandschicht,
durchgehend
- 6
- Verstärkungsbandschicht,
nur Einspannbereich
- 10
- Einspannbereich
- 11
- schwalbenschwanzförmige
Verbreiterung
- 13
- erste
Abknickung
- 14
- zweite
Abknickung
- 15
- Sollbruchfläche,
interlaminar
- 15'
- Sollbruchfläche,
translaminar
- 17
- Abschnitt
des Einspannbereiches, der eingefaltet ist
- 18
- Abwinkelung
- 20
- mittlerer
Bereich
- 50
- Tür
- 51
- Halterung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19519509
A1 [0003]
- - DE 60007019 T2 [0004]
- - DE 102004034124 A1 [0005]
- - DE 4423687 A1 [0006]
- - DE 4423741 A1 [0006]