WILD, Ernst (Vorburg 20, Gams, CH-9473, CH)
LINDENAU, Emil (Marktstrasse 1, Grabs, CH-9472, CH)
WILD, Ernst (Vorburg 20, Gams, CH-9473, CH)
| Patentansprüche 1. Biegeträger aus einem Materialprofil mit einer grosseren Längs- als Quererstrek- kung, das an seinen beiden Längsseiten mit Anbindemitteln (26, 27; 36, 37; 46, 47; 56, 57; 66, 67; 76, 77; 86, 87) ausgestattet ist und wenigstens ein Zugkräfte aufnehmendes Bauteil (12; 22; 32; 42a, 42b; 52; 62; 72; 75; 82a, 82b; 92) umfasst, welches sich wenigstens über einen Teil der Länge des Materialprofils erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugkräfte aufnehmende Bauteil (12; 22; 32; 42b; 55; 62; 72; 82b; 92) über seine gesamte Längserstreckung stetig geradlinig ausgebildet ist und entlang der Längserstreckung des Materialprofils wenigstens ein Mitnehmer (23, 24, 25) für das Zugkräfte aufnehmende Bauteil (12; 22; 32; 42a, 42b; 52; 62; 72; 82a, 82b; 92) bei Belastung vorgesehen ist. 2. Biegeträger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Mitnehmer von einer der Belastung ausgesetzten, in Längsrichtung verlaufenden Seite des Materialprofils oder von innerhalb des Materialprofils angeordneten Stiften, Zapfen, Vorsprüngen, Blechen oder dergleichen gebildet ist. 3. Biegeträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Zugkräfte aufnehmende Bauteil (12; 22; 32; 42b; 55; 62; 72; 75; 82a, 82b) über die gesamte Länge des Materialprofils erstreckt und mit den Anbindemitteln (26, 27; 36, 37; 46, 47; 56, 57; 66, 67; 76, 77; 86, 87) verbunden ist. 4. Biegeträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugkräfte aufnehmende Bauteil eine Zugstrebe (12; 22; 32; 42b; 53; 62; 72; 75; 82b; 92) ist. 5. Biegeträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprofil ein Metall- oder Kunststoffprofil ist und dass die Zugstrebe aus Metall oder aus einer Faserverbundstruktur besteht. 6. Biegeträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstrebe ge- zwirnt ausgebildet ist. 7. Biegeträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstrebe (32; 42a, 42b; 52; 62; 72; 75; 82a, 82b;) als ein gewickeltes Faserverbundbauteil mit einer Fachwerkstruktur (33; 43; 53; 63; 73; 83) mit integrierten Zug- und Druckgurten (34, 35; 44, 45; 54, 55; 64, 65; 74; 75; 84; 85) ausgebildet ist. 8. Biegeträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Materialprofil (61 ) als ein gewickeltes Faserverbundbauteil mit Fachwerkstruktur (63) und integrierten Zug- und Druckgurten (64, 65) ausgebildet ist und dass das Zugkräfte aufnehmende Bauteil (62) in das Faserverbundbauteil (63, 64, 65) integriert ist. 9. Biegeträger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugkräfte aufnehmende Bauteil (62) eine Faserverbundstruktur ist, die in Wickeltechnik integral mit dem Faserverbundbauteil (63, 64, 65) ausgebildet ist. 10. Biegeträger nach einem der Ansprüche 5 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur und/oder das Faserverbundbauteil natürliche oder künstliche Fasern, vorzugsweise Glasfasern, enthalten. 11. Biegeträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprofil ein offenes oder ein geschlossenes Profil ist. 12. Biegeträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Querträger (11 ; 21 ; 31 ; 41 ; 51 ; 61; 71 ; 81 ) für die Integration in ein Stossfängersystem im Automobilbau ausgebildet ist. 13. Biegeträger nach einem der Ansprüche 1 - 11 , dadurch gekennzeichnet, dass er als Gehänge (91 ) eines Seilbahnsystems ausgebildet ist. |
Die Erfindung betrifft einen Biegeträger zur Aufnahme statischer und dynamischer Lasten und Belastungen im elastischen und vor allem im plastischen Bereich (Deformation) ge- mäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Biegeträger kommen in den verschiedensten Formen und Ausbildungen zur Anwendung. Je nach Einsatzgebiet sind sie auch unter technologiespezifischen Bezeichnungen bekannt. So ist beispielsweise aus der FR-A-2 877 633 ein Armaturenbrett-Träger bekannt, dessen Biegesteifigkeit durch Vorspannung im elastischen Bereich erhöht wird. Die Erhöhung der Grundsteifigkeit geht jedoch zu Lasten der Steifigkeit bei Deformation.
Im Automobilbau sind Biegeträger beispielsweise als Querträger bekannt; im Bereich Seilbahnen werden Biegeträger beispielsweise auch als Gehänge bezeichnet; usw. Im Fall des Gehänges bei Seilbahnen trägt der Biegeträger beispielsweise die Last der daran aufgehängten Sessel samt Passagieren. Die Aufgabe von Biegeträgern besteht darin, statische und dynamische Lasten und Belastungen aufzunehmen. So ist beispielsweise aus der US 2006/0112560 A1 ein durch Stahldrähte verstärkter Träger bekannt. Die Stahldrähte sind unlösbar in die Matrix eines Kunststoffträgers eingebettet und dienen zur reinen Materialverstärkung. Auch in der US 2005/269823 A1 ist ein Kunststoffträger beschrieben, der mit zusätzlichen Steifigkeitselementen ausgestattet ist, die in die Polymermatrix eingebettet sind und seinen E-Modul erhöhen sollen.
Der frontseitige Querträger eines Automobils ist ein Bestandteil eines Stossfängersystems und dient im Fall von Kollisionen zur Absorption der kinetischen Stossenergie. Der Querträger ist üblicherweise über Deformationselemente (Crashboxen) mit den beiden Längsträgern des Automobils verbunden. Durch die Umwandlung der Aufprallenergie in Deformationsarbeit sollen bei Bagatellunfällen Beschädigungen der Fahrzeugstruktur verhindert und die Reparaturkosten der Anbauteile minimiert werden. Bei Kollisionen mit höheren Geschwindigkeiten dient der frontseitige Querträger als Bestandteil des Stossfängersystems zur Aufrechterhaltung des Querverbundes zwischen den beiden Längsträgern. Dadurch sind eine gezielte Energieeinleitung und ein Energieabbau über die crashrelevanten Fahrzeugkomponenten gewährleistet und wird durch den kontrollierten Abbau der auftretenden Kollisionsenergie ein grösstmöglicher Schutz für die Insassen angestrebt. In der DE-A-198 10 864 ist ein Frontmodul einer Fahrzeugkarosserie beschrieben, welches prinzipiell aus einem Zugverbund zwischen zwei Längsträgern besteht. Der Zugverbund aus einem Stahl- oder Kunststoffseil soll im Crashfall verhindern, dass die Längsträger seitlich ausknicken. Das übrige Frontmodul ist aus Kunststoff hergestellt. Bei einem Frontaufprall wird ein eventueller Bruch des Kunststoffabschnittes in Kauf genommen.
Aus der DE-A-10 2006 011 808 ist ein Querträger bekannt, bei dem innerhalb eines Hohlprofils ein vorgespanntes Seil angeordnet ist. Zur Erhöhung der Steifigkeit des Querträgers ist das vorgespannte Seil zumindest abschnittsweise bogenförmig geführt und an mindestens zwei voneinander beabstandeten Stellen an dem Hohlprofil und/oder im Bereich der Anbindungsstelle des Hohlprofils an einem angrenzenden Bauteil befestigt. Durch den bogenförmigen Verlauf soll das vorgespannte Seil in dem Hohlprofil der zu erwartenden Krafteinwirkung durch Torsion oder im Fall eines Aufpralls entgegen wirken.
Neben den Anforderungen an die Festigkeit und Steifigkeit und hinsichtlich der Erfüllung von sicherheitsrelevanten Anforderungen müssen die Biegeträger auch räumlichen Ge- gebenheiten genügen und müssen bei ihrer Auslegung Forderungen hinsichtlich einer Gewichtseinsparung berücksichtigt werden. Als Querträger ausgebildete Biegeträger im Automobilbau werden beispielsweise vielfach aus Stahl- oder Aluminiumprofilen gefertigt. Stahlprofile weisen dabei oft die Gestalt eines Hutprofils auf, während Träger aus Aluminium vielfach als Rechteckhohlprofil ausgebildet sind. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, zur Gewichtseinsparung die Querträger aus einem Metall-Kunststoff-Verbund bzw. aus einer Hybridstruktur herzustellen, bei der die Metallstruktur teilweise mit Kunststoff umspritzt ist (WO 2007/059954) oder ein kanalartiges Kunststoffteil in die Metallkonstruktion eingelegt ist (WO 2005/037632). Die aus dem Stand der Technik bekannten Querträger sind unter Berücksichtigung der Anforderungen der betroffenen Kreise (Versi- cherungen, Hersteller, Gesetzgeber, ...) hinsichtlich ihrer Konstruktion, ihrer Abmessungen und ihres Gewichtes optimiert. Werden diese Anforderungen verändert, beispielsweise indem bei Kollisionstests höhere Geschwindigkeiten, grossere bewegte Massen, eine anders geartete Überdeckung usw. vorgeschrieben werden, kann dies dazu führen, dass die optimierten Bauteile die geforderten Bedingungen nicht mehr erfüllen. Schon bei geringen Geschwindigkeitserhöhungen in der Crash-Versuchs-Konfiguration für Bagatelle-Unfälle, beispielsweise von 4 km/h auf 10 km/h, resultiert eine bis zu 6-fache Stosse- nergie. Beispielsweise sind heutzutage in vielen Automobilmodellen die Querträger aus Gewichtsgründen aus Aluminiumprofilen gefertigt. Um den geschilderten geänderten Anforderungen Rechnung zu tragen, müssten die Abmessungen des Aluminiumquerträgers verändert werden, was aus Gründen des zur Verfügung stehenden Bauraums jedoch nicht möglich ist. Eine Veränderung des Bauraums würde eine konstruktive Neuausle- gung der Fahrzeugstruktur erfordern, was sehr hohe Kosten verursacht. Zur Erfüllung der neuen Anforderungen müssten die Metall-Querträger vollständig neu ausgelegt werden. Um die geforderten höheren Leistungswerte zu erzielen, muss überdies die Wandstärke der Metallprofile deutlich erhöht werden. Daraus resultiert eine deutliche Gewichtszunah- me des Querträgers, die den Bestrebungen der Automobilbauer, das Gewicht und damit den Treibstoffverbrauch und die CO 2 -Emissionen zu verringern, zuwiderläuft.
Als Seilbahn Gehänge eingesetzte Biegeträger bestehen bislang üblicherweise aus Rohrprofilen oder aus aufwendigen Schweisskonstruktionen aus unterschiedlichen Stahlprofi- len. Sie sind meist überdimensioniert, um die sicherheitsrelevanten Anforderungen in jedem Fall zu erfüllen. Steigende Treibstoffkosten, infolge Wetterkapriolen kürzere Saiso- nen und die insgesamt höheren Kosten für Anschaffung, Betrieb und Unterhalt lassen aber auch in diesem Bereich den Wunsch nach einer Gewichts- und Sicherheitsoptimierung auch der tragenden Bauteile, somit der Biegeträger aufkommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Nachteilen der Biegeträger des Stands der Technik abzuhelfen. Es soll ein Biegeträger geschaffen werden, der eine ausreichend hohe Festigkeit und Steifigkeit und - falls erforderlich - Energieaufnahme bei statischer und dynamischer Belastung im elastischen und plastischen Bereich (Deformati- on) aufweist. Dabei soll der Biegeträger in bestehende Konstruktionen, beispielsweise
Fahrzeugstrukturen, Seilbahnanlagen usw. einfügbar sein, ohne die verfügbaren Bauräume ändern zu müssen. Auch sollen die bestehenden Montageabläufe weitgehend erhalten oder vereinfacht werden. Zudem soll der Biegeträger dem Wunsch nach einer Gewichtsreduktion Rechnung tragen. Der Biegeträger soll auch für den Einsatz in sicher- heitsrelevanten Bereichen geeignet sein und, bei entsprechendem Einsatz, im Versagensfall vorgegebene und vorhersagbare Eigenschaften aufweisen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäss gelöst durch einen Biegeträger mit den im Patentanspruch 1 aufgelisteten Merkmalen. Weiterbildungen sowie vorteilhafte und be- vorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der vorgeschlagene Biegeträger besteht aus einem Materialprofil mit einer grosseren Längs- als Quererstreckung, das an seinen beiden Längsseiten mit Anbindemitteln aus- gestattet ist. Weiters umfasst das Materialprofil wenigstens ein Zugkräfte aufnehmendes Bauteil, welches sich wenigstens über einen Teil der Länge des Materialprofils erstreckt. Zum Unterschied von den aus dem Stand der Technik bekannten Trägern ist das Zugkräfte aufnehmende Bauteil über seine gesamte Längserstreckung stetig geradlinig ausgebildet und ist entlang der Längserstreckung des Materialprofils wenigstens ein Mitnehmer für das Zugkräfte aufnehmende Bauteil bei Belastung vorgesehen.
Indem das integrierte, Zugkräfte aufnehmende Bauteil zwischen den Anbindemitteln, beispielsweise Einspannflanschen, des Materialprofils stetig geradlinig ausgebildet ist und entlang der Längserstreckung des Materialprofils wenigstens ein Mitnehmer für das Zugkräfte aufnehmende Bauteil bei Belastung vorgesehen ist, werden die Festigkeit und Stei- figkeit des Biegeträgers zusätzlich erhöht. Seine Fähigkeit zur Energieaufnahme bei Belastungen im elastischen und plastischen Bereich wird verbessert, wobei die Deformationswege bei gleicher Kraftaufnahme kleiner werden oder die Kraftaufnahme bei gleichem Deformationsweg grösser werden kann. Dabei sorgt der wenigstens eine Mitnehmer dafür, dass bei Belastung und Verformung des Biegeträgers das Zugelement bereits von Anfang an wirksam wird. Das Zugelement, das nicht notwendigerweise vorgespannt sein muss, trägt bei Belastung über den wenigstens einen Mitnehmer von allem Anfang an zur Festigkeit und Steifigkeit des Biegeträgers bei und erhöht diesen Beitrag mit zunehmender Belastung und Verformung des Biegeträgers. Der Biegeträger erreicht ein höheres Belastungsniveau und vermag dieses über einen grosseren Deformationsweg aufrecht erhalten als die Träger des Standes der Technik.
Durch die erfindungsgemässe Auslegung des Biegeträgers können die Eigenschaften bestehender Biegeträgerkonzepte verbessert werden, ohne an der Grundauslegung der Träger etwas ändern zu müssen. Die bestehenden Abmessungen der Träger können bei- behalten werden, und es besteht keine Notwendigkeit, an den zur Verfügung stehenden Bauräumen etwas zu ändern. Die Integration eines Zugkräfte aufnehmenden Bauteils ist praktisch bei allen Arten von Profilen oder Trägerkonstruktionen möglich. Das Zugkräfte aufnehmende Bauteil und gegebenenfalls auch der oder die Mitnehmer erhöhen zwar das Gesamtgewicht des Biegeträgers. Die Gewichtszunahme ist jedoch beispielsweise im Vergleich zu einem Übergang von einer Aluminiumstruktur zu einer Stahlstruktur für das Materialprofil gering. Mit Hinblick darauf, dass die Grundauslegung des Trägers beibehalten werden kann, ist die geringfügige Erhöhung des Gesamtgewichts vertretbar und im allgemeinen vernachlässigbar. Die Integration des Zugkräfte aufnehmenden Bauteils kann bei geraden oder auch bei über ihre Längserstreckung gekrümmten Biegeträgern erfol- gen. Bei speziellen Geometrien können das Zugkräfte aufnehmende Bauteil und die Mitnehmer derart integriert werden, dass sie gerade in den für die Belastung relevanten Be- reichen, beispielsweise in den Bereichen mit der höchsten Biegebelastung, wirksam werden. Die Integration des Zugkräfte aufnehmenden Bauteils kann durch Form-, Kraft- oder Stoffschluss oder durch Kombinationen davon erfolgen. Zur Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit und damit der Energieaufnahmefähigkeiten eines Biegeträgers können ein oder mehrere Zugkräfte aufnehmende Bauteile mit zugehörigen Mitnehmern integriert sein.
Der wenigstens eine Mitnehmer kann eine in Längsrichtung verlaufende Seite des Materialprofils sein, die der Belastung und/oder Deformation ausgesetzt ist. Diese Ausführungsvariante kommt insbesondere bei Materialprofilen zum Einsatz, deren Belastungsseite geradlinig verläuft und bei denen das Zugkräfte aufnehmende Bauteil in geringem Abstand hinter dieser Seite parallel dazu verläuft. Im Fall von Materialprofilen, die eine gekrümmte Belastungsseite aufweisen, sind entlang der Längserstreckung des Materialprofils ein oder mehrere Stifte, Zapfen, Vorsprünge, Bleche oder dergleichen angeordnet, die bei Belastung und Verformung der Belastungsseite mit dem Zugkräfte aufnehmenden Bauteil zusammenwirken. Indem das Zugkräfte aufnehmende Bauteil innerhalb des Materialprofils über Umlenkungen und/oder Mitnehmer und dergleichen geführt ist, kann seine Zugbelastung mit entsprechender Längenänderung exakt auf die erforderlichen Biegebeanspruchungen hin optimiert werden. Dadurch wird der Biegeträger genau dort besonders verstärkt oder entlastet, wo bei Belastung die grössten Kräfte auftreten und die höchsten Energien aufgenommen und abgebaut werden müssen.
Das Zugkräfte aufnehmende Bauteil kann sich beispielsweise nur über einen Teil der Länge des Materialprofils erstrecken und so den Träger gerade in den bei Belastung am stärksten biegebeanspruchten Bereichen verstärken. In einer alternativen Ausführungsva- riante des Biegeträgers erstreckt sich das wenigstens eine Zugkräfte aufnehmende Bauteil über die gesamte Länge des Materialprofils und ist an dessen Enden mit den Anbindemitteln verbunden.
Das Zugkräfte aufnehmende Bauteil ist zweckmässigerweise als eine Zugstrebe ausge- bildet. Zugstreben sind in unterschiedlichsten Ausführungsvarianten sehr einfach herstellbar und hinsichtlich ihres Verhaltens sehr exakt berechenbar und auslegbar. Ihre Integration in bestehende Trägerkonzepte ist verhältnismässig einfach und bedarf nur kleiner Anpassungen des Montagevorganges. Es ist von Vorteil, wenn die Zugstrebe in einem gewissen Umfang vorgespannt ist. Durch die Vorspannung entfaltet die Zugstrebe bei Belastung ihre Wirkung von allem Anfang an; dadurch wird die Belastbarkeit des Biegeträgers noch weiter erhöht. Das Materialprofil des Biegeträgers ist beispielsweise ein Metall- oder Kunststoffprofil. Die wenigstens eine Zugstrebe kann aus Metall, beispielsweise Aluminium, Titan, Stahl, etc., oder aus einer Faserverbundstruktur bestehen. Je nach Konzeption und Auslegung der Trägerstruktur kann die Zugstrebe aus dem gleichen Material oder aus einem vom Materialprofil verschiedenen Material bestehen. Das erfindungsgemässe System aus einem Materialprofil und wenigstens einer integrierten Zugstrebe erlaubt eine flexible Auslegung. Im Fall mehrerer Zugstreben können selbst diese aus unterschiedlichen Materialien bestehen, beispielsweise um die Vorteile der einzelnen Materialien gezielt einzusetzen. Die Zugstrebe und das Materialprofil sind einfach voneinander trennbar, was der Recyklier- barkeit der eingesetzten Materialien zugute kommt.
Die Fähigkeit der Zugstrebe, durch Kraftaufnahme und Längenänderung Energie aufzunehmen, hängt von der Zugdehnung, dem verwendeten Werkstoff und der Zugstreben- länge ab. Bei der Verwendung von Metalldrähten oder von Fasern kann diese Fähigkeit durch Verzwirnung auf die Biegeträgergeometrie (Krümmung) und den erforderlichen Deformationsweg eingestellt werden.
Die geringste Gewichtserhöhung gegenüber dem reinen Biegeträger ergibt sich, wenn die Zugstrebe als eine aus einem Endlosroving gewickelte Faserverbundstruktur mit einer Fachwerkstruktur mit integrierten Zug- und Druckgurten ausgebildet ist. Derartige Faserverbundstrukturen weisen eine besonders hohe Festigkeit und Steifigkeit auf und gewährleisten beispielsweise bei einem Biegeträger eine möglichst flächige Krafteinleitung. Die Faserverbundstrukturen weisen ein besonders geringes Gewicht auf und sind bei- spielsweise in der US-7,090,737 beschrieben, die hiermit zum integralen Bestandteil der vorliegenden Patentanmeldung erklärt wird.
Eine aus Gründen der Gewichtsersparnis besonders interessante Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der gesamte Biegeträger als ein gewickeltes Faserverbund- bauteil mit Fachwerkstruktur und integrierten Zug- und Druckgurten ausgebildet ist und dass das Zugkräfte aufnehmende Bauteil in das Faserverbundbauteil integriert ist. Die Herstellung des Biegeträgers kann beispielsweise gemäss dem in der US-7,090,737 beschriebenen Verfahren erfolgen. Zweckmässigerweise wird dabei das Zugkräfte aufnehmende Bauteil ebenfalls als eine Faserverbundstruktur in Wickeltechnik integral mit dem Faserverbundbauteil ausgebildet. Die Faserverbundstruktur und/oder das Faserverbundbauteil enthalten natürliche oder künstliche Fasern. Natürliche Fasern können anorganische Fasern, beispielsweise Kohlenstofffasern, oder Glasfasern sein. Als künstliche Fasern kommen beispielsweise Ara- midfasern in Frage. Der Vorteil der Glasfasern liegt vor allem in ihrem niedrigen Preis.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemässe Ausbildung des Biegeträgers bei allen Profilarten anwendbar. Zweckmässigerweise ist das Materialprofil jedoch ein Rechteckhohlprofil bzw. Kastenprofil. Derartige Profile weisen ein besonders gut geeignetes Steifigkeitsverhalten auf. Durch die geschlossene Ausführung des Trägers ist die Zugstrebe ausserdem vor Witterungseinflüssen geschützt.
Der erfindungsgemässe Biegeträger eignet sich insbesondere für alle Bereiche, in denen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit und eine hohe Energieaufnahme bei statischer und dynamischer Belastung im elastischen und plastischen Bereich (Deformation) gefordert ist. Durch sein vorhersagbares Verhalten im Versagensfall eignet sich der Biegeträger insbesondere auch als Querträger für die Integration in ein Stossfängersystem im Automobilbau.
Durch seine erhöhte Festigkeit und Eigensteifigkeit und die verbesserte statische und dynamische Belastbarkeit ist der Biegeträger insbesondere auch für sicherheitsrelevante Anwendungen, beispielsweise als Gehänge eines Seilbahnsystems geeignet. Durch die erfindungsgemäss Ausbildung kann der Biegebereich des Gehänges hinsichtlich vertikaler Zug- und Torsions- sowie horizontaler Biegebeanspruchungen optimiert werden. Daraus resultiert eine Reduzierung der Materialquerschnitte und damit eine Gewichtsreduzie- rung. Gegebenenfalls ist sogar die Verwendung von handelsüblichen Stangenprofilen möglich, wodurch der Beschaffungs- und der Fertigungsaufwand reduziert werden können.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung eines Querträgers des Stand der Technik;
Fig. 2 eine typische Testkonfiguration für einen Querträger gemäss Fig. 1 ; Fig. 3 den Querträger aus Fig. 2 unter Belastung;
Fig. 4 einen erfindungsgemäss modifizierten Querträger in Querschnittsdarstellung;
Fig. 5 eine Testkonfiguration für den Querträger gemäss Fig. 4 in Analogie zu Fig. 2;
Fig. 6 den Querträger gemäss Fig. 5 unter Belastung;
Fig. 7 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines konvex gekrümmten Querträgers;
Fig. 8 den Querträger aus Fig. 7 bei Belastung;
Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines konvex gekrümmten Querträgers;
Fig. 10 eine weitere Variante eines konvex gekrümmten Querträgers;
Fig. 11 eine Variante eines gerade ausgebildeten Querträgers;
Fig. 12 einen Längsschnitt eines gekrümmten Querträgers mit integrierter Crashbox;
Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Querträgers;
Fig. 14 den Querträger gemäss Fig. 11 unter Belastung;
Fig. 15 eine weitere Variante eines Querträgers; und
Fig. 16 ein Gehänge eines Seilbahnsystems.
Fig.1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines als Querträger 1 ausgebildeten Biegeträgers, wie er biespielsweise für ein Stossfängersystem eines Automobils zum Einsatz kommen könnte. Die stark schematisierte Darstellung eines geraden Biegeträgers dient zur Illustration der für eine beispielsweise Berechnung des Trägers 1 wesentlichen Eckdaten. Bei dem dargestellten Träger 1 handelt es sich beispielsweise um ein Rechteck- hohlprofil bzw. Kastenprofil. Er weist eine Breite b von 100 mm und eine Höhe h von
80 mm auf. Bei einem Träger aus Aluminium beträgt die Wandstärke w 4 mm. Bei einer Einspannlänge von 800 mm beträgt das Gewicht eines solchen Trägers etwa 3kg. Ein vergleichbarer Träger aus hochfestem Stahl weist bei gleichem Gewicht eine Wandstärke von nur noch 1 ,3 mm auf.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen den Querträger 1 in einem für die Berechnungen angenommenen Testfall, in dem der Träger 1 an zwei Widerlagern 2 und 3 fest eingespannt ist. Die quasistatische Belastung des Trägers 1 erfolgt von der von den Widerlagern 2, 3 abgewandten Seite (Fig. 3) unter einem rechten Winkel. Der unbelastete Träger 1 weist eine Länge I von 800 mm auf. Als Vorgabe für den Träger 1 wird angenommen, dass er bei einer auf ihn einwirkenden Energie von ca. 6,6 kJ eine maximale Durchbiegung d von 40 mm aufweisen darf.
Ein Träger aus Aluminium mit einem E-Modul von 70 1 OOO MPa/N/mm 2 und einer Dichte von 2.7 kg/dm 3 erreicht mit den angenommenen Eckwerten im elastischen Bereich einen Deformationsweg von ca. 10,5 mm und kann ca. 0,7 kJ Energie aufnehmen. Bis zur vorgegebenen Durchbiegung von 40 mm werden im elastischen und plastischen Bereich ca. 4 kJ Energie aufgenommen. Um die geforderte Energie von 6,6 kJ aufnehmen zu können, wird ein Zugelement, beispielsweise aus Glasfaserverstärktem-Kunststoff GFK definiert. Die Energieaufnahme des Zugelementes erfolgt durch Längenänderung. Beim geforder- ten Deformationsweg von 40 mm resultiert eine maximale Längenänderung des Zugelementes von rd. 23 mm. Der Querschnitt für das Zugelement lässt sich mit der dem Werkstoff entsprechenden Spannungs-Dehnungs-Kennlinie so auslegen, dass die erforderliche Energie des Biegeträgers zusammen mit dem Zugelement erreicht wird. Das Gewicht des Querträgers zusammen mit dem GFK-Zugelement beträgt rd. 3,3 kg. Ein vergleichbarer Querträger aus Aluminium, welcher bei einem Deformationsweg von 40mm eine Energieaufnahme von 6,6 kJ aufweist, wiegt rd. 5,4 kg. Der Gewichtsvorteil des Alu-Querträgers mit GFK-Zugelement gegenüber dem Alu-Träger ohne Zugelement beträgt rd. 38%.
Ein Querträger aus hochfestem Stahl mit einem E-Modul von 210 1 OOO Mpa/N/mm 2 und einer Dichte von 7.9 kg/dm 3 erreicht mit den angenommenen Eckwerten im elastischen Bereich einen Deformationsweg von ca. 6,1 mm und kann ca. 0,3 kJ Energie aufnehmen. Bis zur vorgegebenen Durchbiegung von 40 mm werden im elastischen und plastischen Bereich ca. 2,6 kJ Energie aufgenommen. Das Zugelement ist auf eine Energieaufnahme von ca. 4 kJ ausgelegt. Das Gewicht des Querträgers mit dem GFK-Zugelement beträgt rd. 3,5 kg. Ein vergleichbarer Querträger aus hochfestem Stahl, welcher bei einem Deformationsweg von 40mm eine Energieaufnahme von 6,6 kJ aufweist, wiegt rd. 8,7 kg. Der Gewichtsvorteil des Stahl-Querträgers mit GFK-Zugelement gegenüber dem Stahl- Träger ohne Zugelement beträgt rd. 60%.
Zur Abhilfe der Probleme des Stands der Technik und zur Realisierung der gewünschten Eigenschaften schlägt die Erfindung einen Biegeträger vor, der wenigstens ein Zugkräfte aufnehmendes Bauteil umfasst, das in das Materialprofil integriert ist. In Fig. 4 - 6, welche den Darstellungen in Fig. 1 - 3 entsprechen, trägt der als ein Querträger ausgebildete Biegeträger gesamthaft das Bezugszeichen 11. Beispielsweise ist der Querträger 11 als ein Rechteckhohlprofil ausgebildet. Seine Querschnittsabmessungen sind wiederum 100 mm x 80 mm. Die Einspannlänge an den Widerlagern 2 und 3 beträgt 800 mm. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Querträger 11 nur ein Zugkräfte aufnehmendes Bauteil 12 auf. Das Zugkräfte aufnehmende Bauteil 12 ist beispielsweise eine Zugstrebe, deren Breite vorzugsweise der lichten Breite des Rechteckhohlträgers 11 entspricht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Zugstrebe 12 über die gesamte Einspannlänge des Querträgers 11. Die Zugstrebe könnte aber auch nur in denjenigen Bereichen vorgesehen sein, in denen bei Belastung die grösste Biegebelastung auftritt. Durch die Zugstrebe 12 ist es ermöglicht, dass der Querträger 12 bei gleichen Abmessungen und maximaler Auslenkung von 40 mm die geforderte Energieaufnahme erreicht. Je nach Ausbildung der Zugstrebe und deren Anzahl kann der Querträger 11 nur mit geringfügig von der optimierten Grosse abweichender Wandstärke ausgebildet sein oder die gleiche Wandstärke aufweisen, wie sie für den Querträger gemäss Fig. 1 - 3 in den Ausführungen Aluminium bzw. Stahl angegeben ist. Die Zugstrebe 12 kann aus dem gleichen Material bestehen wie der Querträger, oder sie kann gemäss den Anforderungen auch aus einem davon verschiedenen Material gefertigt sein. Vorzugsweise be- steht die Zugstrebe 12 aus Aluminium, Stahl oder aus einer Faserverbundstruktur, welche zur Erhöhung der Längselastizität auch gezwirnt ausgebildet sein können.
Fig. 7 und Fig. 8 zeigen eine Ausführungsvariante eines gesamthaft mit dem Bezugszeichen 21 versehenen konvex gekrümmten Querträgers, der wiederum mit einer Zugstrebe 22 ausgestattet ist. Die Zugstrebe 22 ist über integrierte Umlenkungen und Mitnehmer 23, 24, 25 geführt, um die bei Belastung auftretenden Zugkräfte besser zu verteilen, damit mehr Energie aufgenommen werden kann. Bei Bedarf können auftretende Spannungen durch Lochleibung oder Scherkräfte bei einem Befestigungsbolzen durch Mehrfachver- schraubungen, partielle Verstärkungen und/oder Verklebungen der Zugstrebe 22 mit dem Materialprofil auf zulässige Spannungen hin optimiert werden. In dem dargestellten Aus- führungsbeispiel sind dazu die Anbindemittel 26, 27 auf jeder Längsseite des Trägers 21 paarweise angedeutet, über welche die Zugstrebe 22 geführt ist.
Kraft-Weg-Diagramm Trager 1 und Trager 11 mit Zugelement 12
-Trager 1 elastischer Bereich Trager 1 plastischer Bereich — — Kraft Zugelement 12 Trager 11 mit Zugelement 12
Querträger 1 beginnen beim Überschreiten der elastischen Belastungsgrenze irreversibel zu versagen (Beulen, Knicken, Reissen etc.). Durch das Zugelement 12 wird der Zusammenhalt des Verbundes zwischen den Widerlagern 2 und 3 selbst bei völligem Versagen des Querträgers 1 aufrecht erhalten. Bei Anwendungsbeispielen im Bereich Crash- Systeme im Automobil kann diese Eigenschaft zusätzlich nutzbringend beim Hochge- schwindigkeits-Crash, beispielsweise bei einem versetzten Frontal-Aufprall, eingesetzt werden. Die dem Aufprall abgewandte Seite des Fahrzeuges kann durch den intakten Zugverbund zusätzlich deformiert werden. Diese zusätzliche Energieaufnahme führt zu einer Reduktion der Balastung für die Fahrzeug-Insassen.
Bei Verwendung von Faserverbundmateπalien, beispielsweise Glasfaserverstärkter- Kunststoff, für das Zugelement 12 lassen sich durch Zwirnen der Rovings unterschiedliche Spannungs-Dehnungs-Verhalten für das Zugelement 12 einstellen.
Durch entsprechende geometrische Auslegung und Dimensionierung lässt sich beispielsweise beim Zusammenfügen des Trägers 21 und des Zugelementes 22 eine Vorspannung erzielen. Eine in Fig. 9 dargestellte weitere Ausführungsvariante eines konvex gekrümmten Querträgers trägt gesamthaft das Bezugszeichen 31. Der Träger 31 weist wiederum ein Zug- kräfte aufnehmendes Bauteil 32 auf, das in das Materialprofil integriert ist. Das Zugkräfte aufnehmende Bauteil ist als ein gewickeltes Faserverbundbauteil mit einer Fachwerkstruktur 33 und integrierten Zug- und Druckgurten 34, 35 ausgebildet. Die Faserverbundstruktur 33 erstreckt sich bis zu den Anbindemitteln 36 und 37, über welche der Träger 31 beispielsweise an Crashboxen 38, 39 angebunden ist. Die Aussenhaut des Trägers bildet beispielsweise ein konventionelles Kastenprofil aus Aluminium oder Stahl. Der Träger könnte aber auch als ein Hutprofil, U-Profil oder dergleichen ausgebildet sein. Die Fachwerkstruktur 33 des gewickelten Faserverbundbauteils überträgt die stossartige Belastung flächig auf den Zuggurt 34. Somit werden optimale Dehnraten im Zuggurt erreicht. Der Querträger ist über die Anbindemittel 36, 37 mit Crashboxen 38, 39 verbunden.
Das in Fig. 10 dargestellte Ausführungsbeispiel eines konvex gekrümmten Querträgers entspricht weitgehend demjenigen aus Fig. 9. Der Querträger ist gesamthaft mit dem Bezugszeichen 41 versehen. Das Zugkräfte aufnehmende Bauteil besteht aus einem gewik- kelten Faserverbundbauteil 42a mit einer Fachwerkstruktur 43 und integrierten Zug- und Druckgurten 44, 45 sowie einer integral damit gewickelten Zugstrebe 42b. Die Anbindemittel 46, 47 sind beispielsweise jeweils in vierfacher Ausfertigung vorgesehen und in die Zugkräfte aufnehmende Struktur integriert. Das Faserverbundbauteil 42a ist seitlich über die Anbindemittel 46, 47 hinaus verlängert und weist beispielsweise eine wickeltechnisch integrierte Haltevorrichtung für einen Abschlepphaken auf. Die Crashboxen tragen die Bezugszeichen 48, 49.
Zum Unterschied von den in Fig. 9 und 10 dargestellten Varianten ist das Ausführungsbeispiel eines Querträgers gemäss Fig. 11 gerade ausgebildet. Der Querträger ist gesamthaft mit dem Bezugszeichen 51 versehen, und besteht beispielsweise aus einem kastenartigen oder hutartigen Materialprofil. Er weist ein Zugkräfte aufnehmendes Bauteil 52 auf, das als ein gewickeltes Faserverbundbauteil mit Fachwerkstruktur 53 und Zug- und Druckgurten 54, 55 ausgebildet ist. Während der der Belastungskraft zugewandte Gurt 55 gerade ausgebildet ist, verläuft der abgewandte Gurt 54 konkav gekrümmt. Anbindemittel 56, 57 sind in das gewickelte Faserverbundbauteil 52 integriert. Bei dem in Fig. 12 schematisch dargestellten Querträger, der gesamthaft das Bezugszeichen 61 trägt, ist das gesamte Materialprofil als ein gewickeltes Faserverbundbauteil mit integrierter Fachwerkstruktur 63 und integrierten Zug- und Druckgurten 64, 65 ausgebildet. Das Faserverbundbauteil weist zusätzlich noch eine Zugstrebe 62 auf, die wickel- technisch in die Fachwerkstruktur 63 integriert ist. Die an den Längsenden des Trägers 61 vorgesehenen Anbindemittel 66, 67 sind ebenfalls in die Fachwerkstruktur 63 integriert. An den Längsenden sind Crashboxen 68, 69 wickeltechnisch integral mit dem Querträger 61 ausgebildet. Falls erforderlich, können auch noch Umlenkungen und Mitnehmer für die Zugstrebe 62 wickeltechnisch in die Fachwerkstruktur 63 eingebunden sein. Der gesamt- haft als ein gewickeltes Faserverbundbauteil ausgebildete Querträger 61 weist eine hohe Absorption gegenüber kinetischer Stossenergie auf. Die Energie wird über die Fachwerkstruktur 63, deren Zug- und Druckgurte 64, 65 und die Zugstrebe 62 ideal aufgenommen, wobei je nach Stossenergie ein hoher Anteil auf die Elastizität des Trägers entfällt. Gegenüber reinen Metallausführungen und Hybridausführungen weist der gewickelte Quer- träger 61 vor allem auch hinsichtlich des Gewichts grosse Vorteile auf.
Fig. 13 und Fig. 14 zeigen schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als Querträger ausgebildeten Biegeträgers in einer zu den Fig. 2 und Fig. 3 bzw. Fig. 5 und Fig. 6 analogen Darstellung. Der Querträger ist gesamthaft mit dem Bezugszeichen 71 bezeich- net. Er ist beispielsweise als ein hohles Rechteckprofil bzw. Kastenprofil aus Aluminium oder Stahl ausgebildet. Der Querträger 71 ist an Widerlagern 2, 3 fest eingespannt. Er weist wiederum ein Zugkräfte aufnehmendes Bauteil auf, das bei 72 angedeutet ist. Das Zugkräfte aufnehmende Bauteil 72 ist als eine gewickelte Faserverbundstruktur mit Fachwerkstruktur 73 und integrierten Zug- und Druckgurten 74, 75 ausgebildet. Die Faserver- bundstruktur 73, 74, 75 ist in den Hohlraum des Materialprofils des Trägers 71 eingesetzt und mit den Anbindemitteln 76, 77 des Trägers 71 verbunden. Bei der stossartigen Belastung des Querträgers 71 , die durch den Pfeil 80 angedeutet ist, wird dieser durchgebogen. Die dabei auftretenden Druck- und Zugkräfte werden vom metallischen Materialprofil des Trägers 71 und insbesondere von der Faserverbundstruktur 73, 74, 75 aufgenom- men. Die Fachwerkstruktur 73 erhöht nicht nur die Widerstandsfähigkeit des Querträgers 71 gegenüber Zug-, Druck- und Torsionskräften, sondern verbessert auch seine Steifigkeit. Die integrierten Zug- und Druckgurte 74, 75 reduzieren die Spannungen an den Anbindemitteln 76, 77.
Eine in Fig. 15 dargestellte weitere Variante eines Querträgers ist gesamthaft mit dem
Bezugszeichen 81 bezeichnet. Der Querträger 81 entspricht vom prinzipiellen Aufbau her weitgehend der Variante gemäss Fig. 13 und 14. Zum Unterschied von dem dort dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Querträger 81 konvex gekrümmt. Sein Zugkräfte aufnehmendes Bauteil besteht aus einer gewickelten Faserverbundstruktur 82a mit Fachwerk 83 und integrierten Zug- und Druckgurten 84, 85 sowie einer Zugstrebe 82b, die ingegral mit der Faserverbundstruktur 82a gewickelt ist. Die Anbindemittel 86, 87 sind in die gewickelte Faserverbundstruktur 82a integriert. Die Richtung, aus der die Belastung wirkt, ist mit dem Pfeil 90 angedeutet.
Fig. 16 zeigt ein weiteres Einsatzgebiet eines erfindungsgemäss ausgebildeten Biegeträ- gers am Beispiel eines Gehänges für Seilbahnen, insbesondere für Sesselbahnen. Das Gehänge ist gesamthaft mit dem Bezugszeichen 91 versehen und weist etwa die Form eines L auf. An seinen beiden Längsenden sind Anbindemittel 96, 97 für eine Seilklemme bzw. für ein Sesselgestell vorgesehen. Das Gehänge 91 ist meist als ein Rohrprofil oder als eine Schweisskonstruktion aus verschiedenen Profilen aus Stahl ausgebildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Gehänge 91 eine integrierte Zugstrebe 92 auf, die im Bereich der grössten Biegebeanspruchung unter Last angeordnet ist. Die Zugstrebe 92 kann beispielsweise ein Stahlband sein. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Zugstrebe ein gewickeltes Faserverbundbauteil mit Fachwerkstruktur und integrierten Druck- und Zuggurten. Die Zugstrebe 92 erhöht die Biegesteifigkeit des Gehän- ges 91. Dies ermöglicht es, das mit der Zugstrebe 92 ausgestattete Gehänge hinsichtlich des Gewichts zu optimieren. Die Ausbildung der Zugstrebe 92 als ein Faserverbundbauteil ist dabei sowohl aus Festigkeitsgründen als auch aus Gründen der Gewichtsersparnis vorteilhaft. Gegebenenfalls ist sogar die Verwendung von Stangenprofilen möglich, wodurch der Fertigungsaufwand reduziert werden kann. Die Auslenkung a des Gehänges 91 bei Belastung ist strichliert angedeutet und beträgt beispielsweise bei Einsatz einer Zugstrebe aus gewickeltem glasfaserverstärktem Kunststoff mit einem Gewicht von etwa 220 g (ohne Anbindemittel) ca. 0,5 mm - 1 mm bei etwa 23 kN Zugkraft.
Der erfindungsgemässe Biegeträger ist an den Beispielen eines in der Automobilkon- struktion eingesetzten Biegeträgers und eines Gehänges für Seilbahnkonstruktionen erläutert worden. Es versteht sich, dass der Einsatz des mit einem integrierten, Zugkräfte aufnehmenden Bauteil ausgestatteten Biegeträgers nicht auf die geschilderten Beispiele beschränkt ist. Grundsätzlich ist der erfindungsgemässe Biegeträger überall dort einsetzbar, wo ein Träger bezüglich Festigkeit und Steifigkeit, unter Berücksichtigung von Ge- wicht und Kosten, optimiert werden soll oder erhöhte, sicherheitstechnische Aspekte zu erfüllen sind.