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Die Erfindung betrifft ein Karosseriebauteil, insbesondere kann es sich um eine Karosserie-Säule wie eine B-Säule, die an Dachrahmen und Schweller angebunden wird, handeln. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das zumindest ein solches Karosseriebauteil aufweist.
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Aus dem Stand der Technik ist der Einsatz von Aluminiumlegierungen bei der Herstellung von Karosseriebauteilen zur Gewichtsreduktion bekannt. Der Einsatz von Aluminiumlegierungen ist durch die im Vergleich zu Stahl geringere Dauerfestigkeit bzw. Dauerschwingfestigkeit beschränkt.
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Dauerfestigkeit bezeichnet die Belastungsgrenze, die ein dynamisch (z. B. schwingend) belasteter Werkstoff ohne nennenswerte Ermüdungserscheinungen ertragen kann, und ist abhängig von der Art der auftretenden Belastung. Materialermüdung bedeutet, dass auch eine statisch unkritische Belastung im elastischen Bereich zu einer Funktionsuntüchtigkeit oder auch zum Totalausfall z. B. Ermüdungsbruch eines Bauteils führen kann, wenn sie oft genug auf das Bauteil einwirkt.
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Während Stahl einen Dauerfestigkeitswert zeigt, die dem Spannungsausschlag entspricht, unterhalb dessen kein Versagen auftritt, zeigen Aluminiumlegierungen diesen Grenzwert nicht, so dass hier auch bei geringen Belastungsamplituden „auf Dauer” mit Ermüdungserscheinungen zu rechnen ist.
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Der Einsatz von Aluminiumlegierungen bei der Herstellung von tragenden Karosseriebauteilen wie den Fahrzeugsäulen, die den Dachbereich mit dem Karosserieunterbau verbinden, erfordert daher Maßnahmen, die die Dauerfestigkeit des Bauteils verbessern, so dass zum Einen beim Überschlagen des Fahrzeugs die Fahrgastzelle gegen vertikale Verformung stabilisiert wird und zum Anderen beim Seitenaufprall Kräfte aufgenommen werden, um die Fahrzeuginsassen zu schützen.
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Aus diesem Grund werden B-Säulen an Limousinen-Rohbauten häufig noch auf Basis von Stahlbauteilen gefertigt, die allerdings den Einsatz aufwändiger (Hybrid-)Fügetechnik bei der Anbindung an Karosseriebauteile aus Aluminiumlegierungen bedingen und zudem ein hohes Gewicht aufweisen.
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Bekannte B-Säulen aus Aluminiumguss oder aus Aluminiumblech der 6xxx-Serie zeigen keine ausreichende Crash-Performance. Daher wurde dazu übergegangen, tragende Karosseriebauteile wie Fahrzeugsäulen aus Materialverbünden herzustellen, die unterschiedliche Aluminiumlegierungen verwenden.
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So ist aus der
DE 10 2011 101 586 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines geformten Karosseriebauteils für eine Fahrzeugkarosserie aus einem Tailored Blank bekannt, das als Halbzeug aus zumindest zwei verschweißten Aluminium-Blechteilen in unterschiedlichen Dicken und/oder unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen mittels eines Umformwerkzeugs geformt wird. Für die unterschiedlichen Blechteile können AA6xxx- und höherfeste AA7xxx-Legierungen verwendet werden.
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Ferner ist aus
EP 1 852 251 aus einem Aluminiumblechverbundmaterial ein Karosserieblech bekannt, bei dem ein Verkleidungsblech auf zumindest eine Seite eines Kernmaterials aufgebracht ist, das aus einer Aluminiumlegierung besteht, die aus AA2xxx, AA5xxx und AA7xxx-Legierungen ausgewählt ist, während das Verkleidungsblech aus einer AA6xxx-Legierung mit weniger als 0,2 Gew.-% Cu oder einer AA5xxx-Legierung mit weniger als 3,6 Gew.-% Mg besteht. Alternativ kann das Kernmaterial aus einer AA6xxx-Legierung bestehen und das Verkleidungsblech aus einer AA5xxx-Legierung mit weniger als 3,6 Gew.-% Mg.
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Die Knet-Legierungen der 7xxx-Serie sind mit Zink legiert und können mittels Ausscheidungshärtung die höchsten Festigkeiten unter den Aluminiumlegierungen erreichen. Die Legierungen der 6xxx-Serie sind mit Magnesium und Silizium legiert, können leicht verarbeitet und ausscheidungsgehärtet werden, aber nicht zu so hohen Festigkeiten wie die 2xxx- oder 7xxx-Legierungen. Die mit Kupfer legierten 2xxx-Legierungen können Festigkeiten vergleichbar mit Stahl aufweisen, sind aber anfällig für Spannungsrisskorrosion. Die Legierungen der 5xxx-Serie weisen als Legierungsbestandteil Magnesium auf.
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Die
DE 10 2009 047 951 A1 beschreibt eine gewichtsreduzierte Säule für einen Kraftwagen, die eine erhöhte Duktilität aufweist. Dazu ist eine Innenschale aus Stahl mit einer Außenschale aus einer Aluminiumbasislegierung verbunden, wobei ein Verstärkungsteil aus einer höherfesten Aluminiumbasislegierung flächig mit einer Außenseite der Außenschale verbunden ist. Ferner kann dort ein Versteifungselement aus Stahlblech zwischen der Innenschale und Außenschale vorgesehen sein.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leichtbau-Karosseriebauteil mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und vereinfachter Fügbarkeit bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Karosseriebauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Die weitere Aufgabe, ein hinsichtlich der Crash-Performance verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen, wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Karosseriebauteil, insbesondere eine B-Säule, hat einen mehrschaligen Aufbau und weist eine Außenschale aus einer Aluminiumlegierung und eine mit der Außenschale verbundene Innenschale aus einer Metalllegierung auf. Zwischen der Außenschale und der Innenschale ist ein Verstärkungselement angeordnet. Sowohl Außenschale als auch Innenschale sind geformte Blechteile. Erfindungsgemäß besteht nicht nur die Außenschale sondern auch die Innenschale aus einer Aluminiumlegierung. Das Verstärkungselement ist ebenfalls ein geformtes Blechteil, das allerdings wahlweise aus einer Stahllegierung oder aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein kann. Zudem weist das Karosseriebauteil ein zusätzliches Verstärkungselement oder mehrere zusätzliche Verstärkungselemente auf, das/die zumindest bereichsweise zwischen dem ersten Verstärkungselement und der Innenschale angeordnet ist/sind.
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Vorteile des erfindungsgemäßen Karosseriebauteils mit der Außen- und Innenschale aus Aluminiumblechen sind die Gewichtsreduzierung sowie die Vereinfachung der Fügetechnik bei der Anbindung des Karosseriebauteils an Aluminiumbauteile des Rohbaus. Hierbei treten ferner keine Wärmeausdehnungsunterschiede auf.
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Das zusätzliche Verstärkungselement kann ein hohles oder massives Profil aus einer Aluminiumlegierung oder Stahllegierung sein oder aus einem faserverstärkten Kunststoff (FVK) bestehen. Weitere Materialalternativen für das zusätzliche Verstärkungselement sind ein Metall-, Polymer- oder Glasschaum oder eine Hohlkugelstruktur aus Verbundmaterialien, umfassend Metall, Glas, Keramik oder Kombinationen daraus.
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Um die Anbindung an den Rohbau nicht nur materialtechnisch zu vereinfachen, kann das Karosseriebauteil Anbindungselemente zur Anbindung an Rohbauelemente aufweisen, wobei die Anbindungselemente aus den Blechen der Außen- und Innenschale geformt oder als Schmiede- oder Gussteil zum einseitigen oder beidseitigen Aufsetzen an das andere Karosserieelement oder zum Einstecken oder Einsetzen in das andere Karosserieelement ausgeführt sein können.
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Ferner können die Anbindungselemente Formschluss-Nasen zum lokalen Einstecken in das Rohbauelement aufweisen.
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Um die mechanischen Bauteileigenschaften wie Festigkeit und Duktilität an Lastfälle anzupassen, die am Karosseriebauteil zu erwarten sind, können die Blechteile der Außenschale, der Innenschale und/oder der Verstärkungselemente Abschnitte aufweisen, die sich bezüglich der Dicke und/oder des Aushärtungszustands und/oder der Zusammensetzung unterscheiden.
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Die Aluminiumlegierungen der Außenschale, der Innenschale und des ersten Verstärkungselements können einheitlich oder unabhängig voneinander aus der 5xxx-Serie, 6xxx-Serie und/oder 7xxx-Serie ausgewählt sein. Generell sind Aluminiumknetlegierungen mit ihren Bezeichnungen, etwa 1xxx bis 8xxx, dem Fachmann bekannt und nach DIN EN 573-3 und DIN EN 573-4 definiert.
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Bevorzugt kann die Aluminiumlegierung der Außenschale aus der 6xxx-Serie oder 7xxx-Serie ausgewählt sein, oder ein erster Abschnitt der Außenschale aus einer Aluminiumlegierung der 6xxx-Serie und ein zweiter Abschnitt der Außenschale aus einer Aluminiumlegierung der 7xxx bestehen. Für die Aluminiumlegierung der Innenschale kann eine 5xxx-Legierung bevorzugt sein und die Aluminiumlegierung des ersten Verstärkungselements kann aus der 6xxx-Serie ausgewählt sein.
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So ist das Karosseriebauteil mittels einfacher thermischer und/oder mechanischer Fügetechnik und/oder Klebetechnik mit Rohbauelementen aus Aluminiumlegierungen fügbar.
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Das erfindungsgemäße Karosseriebauteil kann insbesondere eine Karosserie-Säule, bevorzugt eine B-Säule des Fahrzeugs sein, an die als tragendes, crash-relevantes Fahrzeugelement besondere Anforderungen hinsichtlich Festigkeit und Duktilität gestellt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist ein oder mehrere erfindungsgemäße(s) Karosseriebauteil(e) auf, das/die mit zumindest einem Rohbauelement aus einer Aluminiumlegierung mittels thermischer und/oder mechanischer Fügetechnik und/oder Klebetechnik verbunden ist.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht der Komponenten einer B-Säule als erfindungsgemäßes Karosseriebauteil in Explosionsdarstellung,
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2 eine perspektivische Ansicht der Außenschale einer erfindungsgemäßen B-Säule mit unterschiedlich ausgeführten Abschnitten,
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3 Querschnittansichten durch den Anbindungsbereich einer erfindungsgemäßen B-Säule an den Dachrahmen mit einseitiger (a) und beidseitiger (b) Anordnung,
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4 Querschnittansichten durch den Anbindungsbereich einer erfindungsgemäßen B-Säule an den Schweller mit einseitiger (a) und beidseitiger (b) Anordnung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf ein Leichtbau-Karosseriebauteil, insbesondere eine B-Säule, die hauptsächlich auf Aluminiumlegierungen basiert und somit gegenüber herkömmlichen Stahl-basierten B-Säulen deutlich weniger Gewicht bei entsprechenden mechanischen Eigenschaften aufweist. Neben der Gewichtsreduktion wird auch die Fügetechnik der B-Säule an Karosseriebauteile auf Aluminiumbasis vereinfacht, auf aufwändige (Hybrid-)Fügetechnik wie bei Stahl-B-Säulen kann verzichtet werden.
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Der grundlegende Aufbau einer erfindungsgemäßen B-Säule ist in 1 gezeigt, und gilt für andere Karosseriebauteile in äquivalenter Weise.
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Generell können die Aluminiumbleche für die Komponenten der B-Säule, Außenschale 1, Innenschale 2, Verstärkungselement 3 und gegebenenfalls auch ein zusätzliches Verstärkungselement 4, einheitlich oder in Mischbauweise aus Aluminiumlegierungen der Serien 5xxx, 6xxx und/oder 7xxx bestehen. Geeignete Legierungen sind beispielsweise aus der 4xxx-Serie beispielsweise EN AW-4043 AlSi7.5, EN AW-4045 AlSi10.0, En AW-4047 AlSi12; aus der 5xxx-Serie beispielsweise EN AW-5182 AlMg4.5Mn0.4; aus der 6xxx-Serie EN AW-6014 AlMg0.6Si0.6V und EN AW-6016 AlSi1.2Mg0.4, und aus der 7xxx-Serie EN AW-7021 AlZn5.5Mg1.5 und EN AW-7075 AlZn5.5MgCu.
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Vorzugsweise unterscheiden sich die eingesetzten Legierungen der geformten Aluminiumbleche, die die Außenschale 1 und die Innenschale 2 der B-Säule bilden. Während für die Außenschale 1 vorzugsweise Aluminiumlegierungen der aushärtbaren und damit höherfesten 6xxx- und 7xxx-Serie in Frage kommen, wird für die Innenschale 2 bevorzugt eine Aluminiumlegierung der naturharten und schweißbaren 5xxx-Serie eingesetzt.
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Insbesondere die Außenschale 1 kann zudem abschnittsweise mit Blechdickenänderungen ausgeführt und/oder lokaler Wärmebehandlung unterzogen worden sein, um die Festigkeit und Duktilität an die Funktionserfordernisse anzupassen. Alternativ kann die Außenschale 1 in einem oberen Abschnitt 1'' aus einer 7xxx-Legierung und in einem unteren Abschnitt 1' aus einer 6xxx-Legierung bestehen (vgl. 2), entsprechend den Anforderungen an erhöhte Festigkeit im oberen Abschnitt 1'' (Stabilität bei Überschlag) und an erhöhte Duktilität im unteren Abschnitt 1' zur besseren Umformbarkeit im Crash-Fall. Außer der Außenschale 1 können auch die anderen Komponenten Innenschale 2 und Verstärkungselemente 3, 4, die aus Blech geformt sind, mit angepassten Eigenschaften mittels Blechdickenänderung und/oder lokalen Wärmebehandlungen („tailored tempering”) und/oder unterschiedlichen Blechqualitäten gefertigt sein. Zur Blechdickenänderung und Verbindung unterschiedlicher Blechqualitäten können sogenannte „tailored welded blanks”, die durch thermisches Fügen wie z. B. WIG oder Laserschweißen oder Reibrührschweißen erzeugt werden, oder „tailored rolled blanks” (Mehrschicht-Alu-Bleche, beispielsweise durch Walzplattieren) oder eine Kombinationen aus den obigen mechanisch gefügten eingesetzt werden. So können die Materialeigenschaften entsprechend der Anforderungen mit hoher Festigkeit in Zonen mit hohem Festigkeitsanspruch und niederfeste Materialien mit höherer Duktilität in Bereichen mit notwendiger Umformbarkeit für den Crash-Fall angepasst werden.
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Beim Walzplattieren wird ein Alu-Kernmaterial einseitig oder beidseitig mit 1 bis 12% dicken Außenschicht/en, bezogenen auf die Gesamt-Dicke, versehen, die aus einer 4000- oder einer 5000- oder 6000- oder 7000-Legierung zur Verbesserung z. B. der Schmelzschweißbarkeit, der Korrosionsverträglichkeit, der Duktilität, des Biegewinkels oder Kombinationen davon vorgesehen ist/sind.
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Die dritte Komponente der erfindungsgemäßen B-Säule ist ein Verstärkungselement 3, das ebenfalls als geformtes Blechteil entsprechend dem Formverlauf der Außenschale 1 ausgeführt ist und zwischen der Außenschale 1 und der Innenschale 2 aufgenommen wird. Das Verstärkungselement 3 kann gegebenenfalls aus einer Stahllegierung bestehen, vorzugsweise wird aber auch hier eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminiumlegierung der 6xxx-Serie eingesetzt.
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Um die B-Säule in einem besonders beanspruchten Bereich weiter zu verstärken, ist das zusätzliches Verstärkungselement 4 vorgesehen, das zwischen dem Verstärkungselement 3 und der Innenschale 2 aufgenommen wird. Je nach Bauteil und Lastfall kann aber auch mehr als ein zusätzliches Verstärkungselement vorgesehen sein. Die Werkstoffauswahl für dieses zusätzliche Verstärkungselement 4 ist nun nicht auf Metallwerkstoffe aus Aluminiumlegierungen und Stahl beschränkt, sondern umfasst auch faserverstärkte Verbundkunststoffe, sowie Metall- oder Polymer- oder Glas-Schäume etc. sowie Kombinationen der Vorgenannten. Das zusätzliche Verstärkungselement 4 kann, wie in 1 sich nur lokal über einen gewissen Abschnitt des Bauteils erstrecken, es kann aber auch vorgesehen sein, dass das zusätzliche Verstärkungselement 4 so dimensioniert ist, dass der gesamte Bereich zwischen dem Verstärkungselement 3 und der Innenschale 2 gefüllt ist. Das oder die zusätzlichen Verstärkungselemente 4 können Alu-Strangpressprofile oder auch geformte Blechteile, die ebenfalls aus „tailored welded blanks” und/oder „tailored rolled blanks” und/oder „tailored tempered blanks” gefertigt sein können. Für das zusätzliche Verstärkungselement kommt auch Alu-Guss in Frage. Damit das lokal eingesetzte zusätzliche Verstärkungselement in seiner vorgesehnen Position bleibt, kann es eingeschweißt oder durch ein anderes thermisches Fügeverfahren und/oder mechanisches eingefügt oder eingeklebt werden. Als Gussteil kann das zusätzliche Verstärkungselement 4 auch eingegossen werden.
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Wird Stahl als Material für das zusätzliche Verstärkungselement 4 gewählt, kommen Rohre und geformte Bleche sowie gegebenenfalls auch maßgeschneiderte Platinen (tailored welded/rolled/tempered blanks) oder Stahlcordseile oder -gewebe in Frage, die – je nach Material des ersten Verstärkungselements – auch eingeschweißt bzw. thermisch eingefügt werden können oder mechanisch gefügt oder eingeklebt werden. Sollte ein Stahlgusselement als lokales zusätzliches Verstärkungselement vorgesehen sein, so kann dies auch wieder direkt eingegossen werden.
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Besteht das zusätzliche Verstärkungselement aus FVK, können als Verstärkungsfasern beispielsweise, aber nicht ausschließlich, Carbon-, Basalt-, Glas- oder Aramid-Fasern, oder Kombinationen davon gewählt werden. Ein FVK-Verstärkungselement kann eingeklebt und/oder eingeschraubt werden. Aber auch andere Einfügetechniken, z. B. Eingießen, sind denkbar, wobei hier erforderlich sein kann das FVK-Halbzeug beim Eingießen durch organische oder anorganische Schutzschichten zu schützen. Als weiteres Material für das zusätzliche Verstärkungselement kommt eine konfigurierte Hohlkugelstruktur in Frage, die auch mehrere Materialien, z. B. Metall, Glas oder Keramik, umfassen kann.
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Generell können auch Kombinationen der genannten zusätzlichen Verstärkungselemente gebildet werden.
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Ein belastungs- und fertigungsgerechtes Anbindungskonzept der B-Säule an die Rohbauelemente Dachrahmen 10 und Schweller 11 (siehe 3 und 4) wird durch die Anbindungselemente 5, 5' der Außenschale 1 und der Innenschale 2 realisiert. Die Anbindungselemente 5, 5' können aus dem Blech geformt sein, es können aber auch aus einer Aluminiumlegierung geschmiedete oder gegossene Knoten bzw. Schuhe 5, 5' gefertigt sein, die an die Säulenabschnitte der Außen- und Innenschale 1, 2 angefügt sind.
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3 zeigt die Anbindung einer B-Säule mit unterschiedlich ausgeführten Anbindungselementen 5 an einem Dachrahmen 10. In (a) ist das Anbindungselement 5, bestehend aus Abschnitten der Außen- und Innenschale 1, 2, zum einseitigen Aufsetzen von außen an den Dachrahmen 10 ausgebildet, während in (b) das Anbindungselement 5 zum beidseitigen Aufsetzen gestaltet ist. Dabei liegt der Anbindungsabschnitt der Außenschale 1 außen am Dachrahmen 10 an und der Anbindungsabschnitt der Innenschale 2 an der inneren Seite des Dachrahmens 10. 4 zeigt entsprechende Konzepte der einseitigen (a) und beidseitigen (b) Anbindung der B-Säule mittels der Anbindungselemente 5' an dem Schweller 11.
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Alternativ dazu können die Anbindungsabschnitte auch zum Einstecken bzw. Einsetzen in den Dachrahmen bzw. Schweller ausgebildet sein, bzw. über Formschluss-Nasen, die lokal in den Schweller/Dachrahmen eingesteckt werden, ergänzt werden.
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Das Anbindungskonzept ist allerdings nicht auf die Anbindung B-Säule an Dachrahmen und Schweller beschränkt, sondern kann auch für andere erfindungsgemäße Karosseriebauteile übernommen werden.
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Durch die Anbindungselemente aus Aluminium können aufgrund der Materialäquivalenz zu anderen Bauteilen aus einem Aluminiumwerkstoff einfache thermische und/oder mechanische Fügetechniken und/oder Klebetechnik angewendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011101586 A1 [0008]
- EP 1852251 [0009]
- DE 102009047951 A1 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 573-3 [0021]
- DIN EN 573-4 [0021]
- EN AW-4043 [0033]
- EN AW-4045 [0033]
- En AW-4047 [0033]
- EN AW-5182 [0033]
- EN AW-6014 [0033]
- EN AW-6016 [0033]
- EN AW-7021 [0033]
- EN AW-7075 [0033]
