DE102013002504A1 - Kraftfahrzeug-Bodenstruktur - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt eine Bodenstruktur (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer einem Innenraum des Kraftfahrzeugs zugewandten Oberschale (2) aus einem Faserverbundkunststoff, und das Kraftfahrzeug, das eine solche Bodenstruktur (1) hat, bereit. Die Bodenstruktur weist eine Unterschale (3) aus einem Faserverbundkunststoff und eine Versteifungsstruktur (4) auf, die zwischen der Oberschale (2) und der Unterschale (3) angeordnet ist und mit diesen verbunden ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Bodenstruktur aus Faserverbundkunststoff für ein Kraftfahrzeug sowie das Kraftfahrzeug selbst.
- Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Bodenstrukturen für Kraftfahrzeuge z. B. aus Metall in Schalenbauweise oder aus FVK-Sandwichstrukturen auszuführen. Bodenstrukturen in Schalenbauweisen besitzen nicht die homogene Biegesteifigkeit, um einen Energieabsorber bei einem Seitenaufprall an allen X-Positionen eines möglichen Pfahlaufpralls, also entlang der Fahrzeuglängsachse, zu unterstützen. Sandwichstrukturen, die beispielsweise einen Schaumkern mit FVK-Deckschichten umfassen, besitzen zwar die notwendige homogene Biegesteifigkeit, haben aber im Überlastfall ein geringeres Energieabsorptionsvermögen und eine geringere Festigkeit bei gleichem Gewicht.
- Zur Erhöhung der Sicherheit im Fahrzeug im Crashfall ist etwa aus
DE 10 2010 033 123 A1 die Anordnung einer Energiespeichereinrichtung in einem Unterbodenbereich an einem Kraftfahrzeug-Rohbau bekannt, wobei die Energiespeichereinrichtung zumindest mittelbar an dem Rohbau gehalten ist. Dazu ist wenigstens ein Betätigungselement vorgesehen, mittels dem die Energiespeichereinrichtung vor oder bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung des Kraftwagens relativ zum Rohbau bewegbar ist. Dieses Betätigungselement kann in ein Trägerelement des Rohbaus integriert sein und einen faltenförmigen Längenbereich aufweisen, der zum Bewegen der Energiespeichereinrichtung verlängerbar ist. - Ferner beschreibt die
DE 10 2008 036 175 A1 ein Karosserieteil aus einem Faserverbundwerkstoff für ein Kraftfahrzeug, das eine dem Innenraum des Kraftfahrzeugs zugewandte Decklage aus einem hochfesten, duktilen Werkstoff aufweist, der Aramid bzw. Kevlar aufweist oder daraus besteht. Diese Decklage verhindert im Crashfall, dass Bruchkanten des Karosserieteils in den Fahrzeuginnenraum eindringen. - Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bodenstruktur aus Faserverbundkunststoff für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, das die Sicherheit im Fahrgastraum insbesondere bei einem Seitenaufprall auch an allen X-Positionen eines möglichen Pfahlaufpralls weiter verbessert.
- Diese Aufgabe wird durch eine Bodenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Bodenstruktur sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
- Die Aufgabe, ein hinsichtlich des Seitenaufprallschutzes verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen, wird durch das Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
- Eine erfindungsgemäße Bodenstruktur für ein Kraftfahrzeug weist neben einer dem Innenraum des Kraftfahrzeugs zugewandten Oberschale aus Faserverbundkunststoff eine Unterschale aus Faserverbundkunststoff und eine Versteifungsstruktur auf, die zwischen der Oberschale und der Unterschale angeordnet ist und mit diesen verbunden ist. Dank der Versteifungsstruktur kann die Intrusion bzw. Deformation von Karosserieteilen bei einem Seitenaufprall in die Sicherheitszelle reduziert werden, wodurch der Überlebensraum für Fahrzeuginsassen ebenso wie der Schutz sensibler Fahrzeugbauteile wie Energiespeichereinrichtungen vergrößert wird.
- Um eine homogene Biegesteifigkeit bei einem Seitenaufprall entlang der Fahrzeuglängsachse eines Pfahlaufpralls zu erreichen, wird die Versteifungsstruktur so angeordnet, dass sie die Bodenstruktur in einer quer zur Fahrzeuglängsachse verlaufenden Richtung versteift.
- Die Versteifungsstruktur kann vorteilhaft ein wellenartiges Profil aufweisen, das bei geringer Wandstärke eine hohe Steifigkeit und Tragfähigkeit zeigt. Zum besseren Anliegen an Oberschale und Unterschale kann das wellenartige Profil mit abgeflachten Wellenbergen und Wellentälern ausgeführt sein. Die Versteifungsstruktur kann dabei, wie auch die Ober- und Unterschale aus einem Faserverbundkunststoff gefertigt sein. Für die Versteifungsstruktur können aufgrund der hohen Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern des Faserverbundkunststoffs gewählt werden.
- Die Wellenflanken des wellenartigen Profils können im Wesentlichen senkrecht zu den abgeflachten Wellenbergen und Wellentälern verlaufen, wobei die durch das wellenartige Profil gebildeten Rinnen als versteifende Elemente der Versteifungsstruktur quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnet sind.
- Ein Teil der Rinnen oder jede Rinne kann an einem oder an beiden Enden verschlossen sein. Sind die Rinnen nur an einem Ende verschlossen, kann an jeder Rinne einseitig oder alternierend eine Rinnenverschlusswand angeordnet sein, die wie die Versteifungsstruktur aus dem Faserverbundkunststoff bestehen kann.
- Ferner können die Oberschale oder die Unterschale oder beide eine vertikal abgekantete Stützwand aufweisen. Die Versteifungsstruktur liegt mit den Rinnenenden an der in Richtung des Fahrgastraums abgekanteten vertikalen Stützwand der Unterschale an und ist damit verbunden. Bevorzugt ragt die Stützwand der Unterschale über die Versteifungsstruktur hinaus, wobei dieser Überstand, der durch den hinausragenden Abschnitt der Stützwand der Unterschale gebildet wird, bevorzugt eine Abstütz- und/oder Befestigungsfläche für die ebenfalls in Richtung des Fahrgastraums abgekantete vertikale Stützwand der Oberschale bildet.
- Die Oberschale, die Versteifungsstruktur und die Unterschale sind vorzugsweise miteinander verklebt, so dass die Fasern in Oberschale, Unterschale und Versteifungsstruktur, die in einem Gewebe oder Gelege, Geflecht oder Gestrick kraftflussgerecht orientiert sein können, nicht beschädigt werden, wodurch Festigkeit und Steifigkeit der Bodenstruktur beeinträchtigt werden könnten.
- Zur Verbindung der Bodenstruktur mit einem Schweller des Kraftfahrzeugs kann vorgesehen sein, dass die Bodenstruktur ein oder mehrere Verbindungselemente aufweist. Das Verbindungselement kann dazu einen Befestigungsflansch zur Verbindung an der Bodenstruktur und einen Befestigungsflansch zur Verbindung mit dem Schweller aufweisen. Zur Verbesserung der Steifigkeit und Festigkeit der Verbindungsstelle kann das Verbindungselement ferner ein Hohlprofil, bevorzugt ein hohles Strangpressprofil sein, an dem die Befestigungsflansche angeformt sind.
- In einer Ausführungsform weist die Bodenstruktur jeweils zwei Verbindungselemente zur Anbindung an einen Schweller des Kraftfahrzeugs auf, von denen ein Verbindungselement über einen entsprechenden Flansch mit der Oberschale und das andere Verbindungselement über einen entsprechenden Flansch mit der Unterschale verbunden ist. Das Hohlprofil des zur Verbindung mit der Oberschale vorgesehenen Verbindungselements kann nun mit den angeformten Flanschen entsprechend dem Überstand der vertikalen Stützwand der Oberschale und/oder der Unterschale ausgebildet sein.
- Während das Verbindungselement mit der Bodenstruktur vorzugsweise durchbohrungsfrei durch Klebstoff gefügt ist, kann der Befestigungsflansch zur Verbindung mit dem Schweller sowohl für eine Klebverbindung als auch für eine dazu alternative Fügetechnik wie eine Schraubverbindung ausgeführt sein.
- Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist als Karosserieelement Schweller auf, die mit einer Bodenstruktur des Kraftfahrzeugs verbunden sind, bei der es sich um eine erfindungsgemäße Bodenstruktur handelt, wie in den obigen Abschnitten ausgeführt. Dabei kann eine einzige Bodenstruktur zum Einsatz kommen, die mit beiden Schwellern verbunden ist, es können aber auch zwei erfindungsgemäße Bodenstrukturen zur Bildung eines Kraftfahrzeugbodens eingesetzt werden, die beispielsweise in der Fahrzeugmitte durch einen Mittentunnel verbunden sein können und von denen jede mit einem der Schweller verbunden ist.
- 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 der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
- Dabei zeigen:
-
1 eine Seitenschnittteilansicht einer erfindungsgemäßen Bodenstruktur mit Verbindungselementen zum Schweller, -
2 eine perspektivische Ansicht der Bodenstruktur aus1 , -
3 eine weitere perspektivische Ansicht der Bodenstruktur aus1 , -
4 eine Seitenschnittansicht einer Versteifungsstruktur der erfindungsgemäßen Bodenstruktur, -
5 eine perspektivische Ansicht der Versteifungsstruktur aus4 . - Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf eine Bodenstruktur
1 : Ein Abschnitt einer solchen ist beispielhaft in1 dargestellt. Gezeigt ist ein Ausschnitt der Bodenstruktur1 , an dem die Anbindung an einen Fahrzeugschweller (in der Figur nicht dargestellt) vorgesehen ist. Der Schweller ist dazu konstruiert, bei einem Seitenaufprall die Aufprallenergie abzubauen und Eindringgeschwindigkeiten zu verringern. Üblicherweise setzt sich ein Schweller aus einem Seitenteil, einem Verstärkungsteil, einem Verstärkungsblech und einem Schwellerinnenteil zusammen, das einen Hohlquerschnitt schließt. An dieses Innenteil ist das Bodenblech gefügt. Die erfindungsgemäße Bodenstruktur1 weist eine Oberschale2 und Unterschale3 mit einer dazwischen liegenden Versteifungsstruktur4 und zwei Verbindungselementen5 ,6 zur Schwellerinnenwand an der Ober- bzw. Unterschale2 ,3 auf. Der Vorteil dieser Bodenstruktur1 besteht in der hohen Festigkeit quer zur Fahrzeuglängsachse in der so genannten Y-Richtung, der hohen Biegesteifigkeit um die X-Achse (Fahrzeuglängsachse) und des Energieabsorptionsvermögens bei Überlast. - So bietet die erfindungsgemäße Bodenstruktur
1 bei einem Seitenaufprall dem Fahrgastraum im Bodenbereich eine besonders gute Sicherheit. Die Versteifungsstruktur4 , die zwischen der FVK-Oberschale2 und der FVK-Unterschale3 angeordnet und mit diesen gefügt ist, ist dazu in Y-Richtung versteifend angeordnet. - Eine Versteifungsstruktur
4 , die eine solche Vorzugsversteifungsrichtung aufweist, kann beispielsweise ein Wellblech sein, wie in3 bis5 dargestellt. - Die Versteifungsstruktur
4 kann wie die Ober- und Unterschale2 ,3 aus einem Faserverbundkunststoff bestehen. Um besonders hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeit zu erreichen, können als Fasern Kohlenstofffasern eingesetzt werden. Zur Herstellung der Versteifungsstruktur können Faser-Gelege, Gewebe etc. eingesetzt werden, in denen die Fasern lastfallgerecht orientiert sind. So kann der Materialeinsatz im Hinblick auf die erforderlichen mechanischen Eigenschaften optimiert werden. Als Matrixkunststoffe kommen sowohl duroplastische als auch thermoplastische Kunststoffe in Frage. Ferner ist jedoch nicht ausgeschlossen, die Versteifungsstruktur4 auch aus einem anderen Material, etwa einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung oder auch aus einem Zellulose basierten Material herzustellen. - Die Wellen bzw. Rinnen
4.1 , die die versteifenden Elemente der Versteifungsstruktur darstellen, verlaufen quer zum Schweller, so dass die Wellenquerschnitte zum Schweller weisen, wie in3 zu sehen ist. - Das eingesetzte Wellenprofil weicht von einer Sinuswelle ab, die Wellenberge und Wellentäler sind für eine flächigere Anlage an der Oberschale
2 und der Unterschale3 abgeflacht. Die Wellenflanken verlaufen senkrecht, so dass das Profil eher einer abgerundeten Rechteckschwingung entspricht. Anders als dargestellt, könnte die Versteifungsstruktur auch ein Trapezprofil haben. - Die einzelnen vom Wellenverlauf gebildeten Rinnen
4.1 können an einem Ende geschlossen sein. In4 und5 ist eine Versteifungsstruktur4 dargestellt, bei der die Rinnen4.1 an einem Ende verschlossen sind. Ferner ist auch ein Verschluss beider Enden oder ein alternierend vorgesehener Verschluss denkbar. Dieser Verschluss kann als Wand4.2 und aus demselben Material wie das Wellblech gebildet sein. Der ein- oder beidseitige Verschluss der Rinnen4.1 durch eine Seitenwand4.2 kann vorteilhaft schon in den Herstellungsprozess der Versteifungsstruktur4 integriert sein. - Sowohl die Unterschale
3 als auch die Oberschale2 können, wie in1 zu sehen ist, eine vertikale Stützwand3.1 ,2.1 aufweisen, an der die Versteifungsstruktur4 einenends anliegt und vorteilhaft über die Seitenwände4.2 befestigt ist. - Im dargestellten Beispiel ragt die Stützwand
3.1 der Unterschale3 über die Versteifungsstruktur4 nach oben hinaus, wobei der Überstand eine Abstütz- und Befestigungsfläche für die gleichfalls nach oben abgekantete Stützwand2.1 der Oberschale2 bildet. An dieser Stelle ist die Oberschale2 direkt mit der Unterschale3 gefügt, vorzugsweise geklebt, auch die Verbindung der Oberschale2 und der Unterschale3 mit der Versteifungsstruktur4 kann vorzugsweise durch Kleben realisiert sein. - Der gewählte Klebstoff kann auf den Matrixkunststoff, der zur Bildung der FVK-Schalen und der Versteifungsstruktur eingesetzt wird, abgestimmt sein.
- Wie
1 bis3 zeigen, kann die Bodenstruktur1 zusätzlich Verbindungselemente5 ,6 aufweisen, mit denen sie an einen Schweller angebunden werden kann. Die Verbindungselemente5 ,6 können wie im dargestellten Beispiel separate Bauteile sein, die mit Befestigungsflanschen5.2 ,5.3 ,6.2 ,6.3 die Schalen2 ,3 der Bodenstruktur1 mit dem (nicht dargestellten) Schweller verbinden. Die Verbindungselemente können aus einem Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff oder aus einem Metallwerkstoff gefertigt sein. - Zur verbesserten Steifigkeit und Festigkeit der Verbindungsstelle können die Verbindungselemente
5 ,6 ein Hohlprofile5.1 ,6.1 aufweisen, und insbesondere als hohle Strangpressprofile ausgeführt sein, an denen die Befestigungsflansche5.2 ,5.3 ,6.2 ,6.3 angeformt sind. Auch die Verbindungselemente5 ,6 werden mittels Kleben mit der Bodenstruktur1 gefügt, wozu die zur Verbindung mit der Oberschale2 bzw. der Unterschale3 vorgesehenen Befestigungsflansche5.2 ,6.2 großflächig ausgeführt sind. Generell sind natürlich auch andere Verbindungen als Kleben denkbar, allerdings ist bei der Verbindung der Flansche5.2 ,6.2 mit den Schalen2 ,3 der Bodenstruktur1 ist eine Zerstörung der Fasern bspw. durch Bohren für Schraubverbindungen zu vermeiden. - Zur Verbindung mit dem Schweller mittels der Flansche
5.3 und6.3 kommt ebenfalls Kleben in Frage, hier sind aber auch Schraubverbindungen und andere übliche Fügetechniken denkbar. - Das Hohlprofil
5.1 des Verbindungselements5 mit der Oberschale2 kann dem Überstand der Stützwand2.1 ,3.1 der Oberschale2 bzw. der Unterschale3 entsprechend ausgebildet sein. Die Abmessungen der Stützwand2.1 ,3.1 bzw. deren Überstand über die Versteifungsstruktur4 sowie auch die Geometrie und Abmessungen der Verbindungselements6 können derart gewählt werden, dass die beiden Flansche5.3 ,6.3 einen geeigneten Abstand zur Aufnahme des Schwellers aufweisen. - Die Gestaltung des Überstands und der Verbindungselemente kann abhängig von den vorliegenden Gegebenheiten selbstverständlich von dem dargestellten Beispiel abweichen. So kann gegebenenfalls auch lediglich ein Verbindungselement beispielsweise nach Art eines Doppel-T-Trägers vorgesehen sein, der auf der einen Seite die zwischen der Ober- und Unterschale gesandwichte Versteifungsstruktur und auf der anderen Seite den Schweller aufnimmt.
- Mit der erfindungsgemäßen Bodenstruktur kann nicht nur die Sicherheit der Fahrzeuginsassen gegen Intrusionen und Deformationen beim Seitenaufprall verbessert werden, die Anwendung der Erfindung ist in gleicher Weise vorteilhaft, wenn es um den Schutz von Komponenten alternativer Antriebstechniken wie bspw. Wasserstoffflaschen oder Li-Ionen-Batterie geht.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- 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.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010033123 A1 [0003]
- DE 102008036175 A1 [0004]
Claims (10)
- Bodenstruktur (
1 ) für ein Kraftfahrzeug mit einer einem Innenraum des Kraftfahrzeugs zugewandten Oberschale (2 ) aus Faserverbundkunststoff dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstruktur eine Unterschale (3 ) aus Faserverbundkunststoff und eine Versteifungsstruktur (4 ) aufweist, die zwischen der Oberschale (2 ) und der Unterschale (3 ) angeordnet ist und mit diesen verbunden ist. - Bodenstruktur (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (4 ) die Bodenstruktur versteift, indem sie in einer quer zur Fahrzeuglängsachse verlaufenden Richtung angeordnet ist. - Bodenstruktur (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (4 ) ein wellenartiges Profil aufweist, bevorzugt mit abgeflachten Wellenbergen und Wellentälern, wobei die Versteifungsstruktur (4 ) bevorzugt aus Faserverbundkunststoff besteht, besonders bevorzugt aus einem Kohlenstofffasern aufweisenden Faserverbundkunststoff, wobei besonders bevorzugt die Wellenflanken senkrecht zu den abgeflachten Wellenbergen und Wellentälern verlaufen, und wobei die durch das wellenartige Profil gebildeten Rinnen (4.1 ) als versteifende Elemente der Versteifungsstruktur (4 ) quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnet sind, - Bodenstruktur (
1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinnen (4.1 ) zumindest teilweise an zumindest einem Ende verschlossen sind, wobei eine Rinnenverschlusswand (4.2 ) die Rinnen (4.1 ) zumindest einseitig oder alternierend verschließend angeordnet ist, wobei die Rinnenverschlusswand (4.2 ) bevorzugt aus dem Faserverbundkunststoff der Versteifungsstruktur (4 ) besteht. - Bodenstruktur (
1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschale (2 ) und/oder die Unterschale (3 ) eine vertikal abgekantete Stützwand (2.1 ,3.1 ) aufweist, wobei die Versteifungsstruktur (4 ) an der in Richtung des Fahrgastraums abgekanteten vertikalen Stützwand (3.1 ) der Unterschale (3 ) anliegt und damit verbunden ist, und wobei bevorzugt die Stützwand (3.1 ) der Unterschale (3 ) über die Versteifungsstruktur (4 ) hinausragt, und wobei der hinausragende Abschnitt der Stützwand (3.1 ) der Unterschale (3 ) bevorzugt eine Abstütz- und/oder Befestigungsfläche für die in Richtung des Fahrgastraums abgekantete vertikale Stützwand (2.1 ) der Oberschale (2 ) bildet. - Bodenstruktur (
1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschale (2 ), die Versteifungsstruktur (4 ) und die Unterschale (3 ) miteinander verklebt sind. - Bodenstruktur (
1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstruktur (1 ) zumindest ein Verbindungselement (5 ,6 ) zur Verbindung der Bodenstruktur (1 ) mit einem Schweller des Kraftfahrzeugs aufweist, wobei das Verbindungselement (5.6 ) einen Befestigungsflansch (5.2 ,6.2 ) zur Verbindung mit der Bodenstruktur (1 ) und einen Befestigungsflansch (5.3 ,6.3 ) zur Verbindung mit dem Schweller aufweist, und wobei bevorzugt das Verbindungselement (5 ,6 ) ein Hohlprofil (5.1 ,6.1 ), bevorzugt ein Strangpressprofil, aufweist, an dem die Befestigungsflansche (5.2 ,6.2 ,5.3 ,6.3 ) angeformt sind. - Bodenstruktur (
1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstruktur (1 ) jeweils zwei Verbindungselemente (5 ,6 ) zur Anbindung an einen Schweller aufweist, von denen ein Verbindungselement (5 ) mit der Oberschale (2 ) und ein Verbindungselement (6 ) mit der Unterschale (3 ) verbunden ist, wobei das Hohlprofil (5.1 ) des zur Verbindung mit der Oberschale (2 ) vorgesehenen Verbindungselements (5 ) entsprechend dem Überstand der vertikalen Stützwand (2.1 ,3.1 ) der Oberschale (2 ) und/oder der Unterschale (3 ) ausgebildet ist. - Bodenstruktur (
1 ) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5 ,6 ) mit der Bodenstruktur (1 ) durch Klebstoff gefügt ist, und der Befestigungsflansch (5.3 ,6.3 ) zur Verbindung mit dem Schweller für eine Klebverbindung oder für eine Schraubverbindung ausgeführt ist. - Kraftfahrzeug mit Schwellern und zumindest einer Bodenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstruktur eine Bodenstruktur (
1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 ist, die mit zumindest einem Kraftfahrzeugschweller verbunden ist.
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