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Die Erfindung betrifft ein Karosseriebauteil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine selbsttragende Karosserie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
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Karosseriebauteile für selbsttragende Karosserien sowie selbsttragende Karosserien für Fahrzeuge, insbesondere Kraftwagen und insbesondere Personenkraftwagen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt. Eine solche selbsttragende Karosserie weist eine Mehrzahl von Karosseriebauteilen auf, welche miteinander gefügt, das heißt verbunden sind. Üblicherweise sind die Karosseriebauteile zumindest überwiegend aus Stahl gebildet. Hierdurch kann eine hinreichende Steifigkeit der Karosserie realisiert werden.
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Darüber hinaus ist es bekannt, Karosseriebauteile aus Aluminium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung zu bilden. Hierdurch kann das Gewicht einer selbsttragenden Karosserie im Vergleich zur Herstellung dieser aus Stahl reduziert werden. Um jedoch bei solchen Aluminium-Karosserien eine hinreichende Steifigkeit zu realisieren, sind Verstärkungsmaßnahmen erforderlich, die die Gewichtsreduzierung zumindest zum Teil wieder kompensieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Karosseriebauteil für eine selbsttragende Karosserie sowie eine selbsttragende Karosserie der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich sowohl eine hohe Steifigkeit als auch ein besonders geringes Gewicht der selbsttragenden Karosserie realisieren lassen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Karosseriebauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine selbsttragende Karosserie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Karosseriebauteil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welchem sich sowohl eine hohe Steifigkeit als auch ein besonders geringes Gewicht einer selbsttragenden Karosserie realisieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Karosseriebauteil aus einem Laminat gebildet ist. Das Laminat weist eine erste Schicht aus einem faserverstärktem Kunststoff und wenigstens eine zumindest in teilweiser Überdeckung mit der ersten Schicht angeordnete und mit der ersten Schicht verbundene, zweite Schicht aus einem metallischen Werkstoff auf. Das Karosseriebauteil ist somit aus faserverstärktem Metall gebildet, so dass sich einerseits eine sehr hohe Steifigkeit und andererseits ein sehr geringes Gewicht des Karosseriebauteils selbst darstellen lassen.
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Insbesondere ist es möglich, gegenüber Karosseriebauteilen aus Stahl ein geringeres Gewicht und gegenüber Karosseriebauteilen aus Aluminium eine höhere Steifigkeit zu realisieren, so dass sich insgesamt gegenüber Stahl-Karosserien eine Gewichtseinsparung erzielen lässt, welche nicht durch zusätzliche, erforderliche Verstärkungsmaßnahmen aufgezehrt wird. Das Laminat wird üblicherweise auch als Faser-Metall-Laminat bezeichnet, da es zumindest eine Schicht aus einem metallischen Werkstoff und zumindest eine Schicht mit Fasern aufweist. Bei der Schicht mit Fasern handelt es sich um die aus dem faserverstärkten Kunststoffgebildete Schicht, in welcher Fasern, das heißt Verstärkungsfasern, in den Kunststoff eingebettet sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Karosseriebauteil lässt sich auch der prinzipbedingte Nachteil von faserverstärkten Kunststoffen, welche ausschließlich in Faserrichtung sehr stark belastbar sind, kompensieren, da durch die aus dem metallischen Werkstoff gebildete zweite Schicht eine funktionsoptimierte Faserorientierung, beispielsweise je nach geforderter Belastbarkeit, hergestellt werden kann. Mit anderen Worten können die Fasern des faserverstärkten Kunststoffs in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet werden, beispielsweise räumlich getrennt durch die zweite Schicht. Dadurch können die üblicherweise vorhandenen, schlechten Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere im Hinblick auf quer zur Faserrichtung wirkende Kräfte, ausgeglichen werden, da diese Kräfte beispielsweise durch die metallische zweite Schicht aufgenommen werden können. Insgesamt kann somit eine selbsttragende Karosserie hergestellt werden, welche ein geringeres Gewicht als eine ausschließlich aus Aluminium gebildete Karosserie aufweist.
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Um eine selbsttragende Karosserie der im Oberbegriff des Patentanspruchs 6 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich sowohl eine besonders hohe Steifigkeit als auch ein besonders geringes Gewicht der selbsttragenden Karosserie realisieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Karosseriebauteil aus einem Laminat gebildet ist, welches wenigstens eine erste Schicht aus einem faserverstärkten Kunststoff und wenigstens eine in zumindest teilweiser Überdeckung mit der ersten Schicht angeordnete und mit der ersten Schicht verbundene, zweite Schicht aus einem metallischen Werkstoff aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Karosseriebauteils sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Karosserie anzusehen und umgekehrt. Vorzugsweise weist die selbsttragende Karosserie eine Mehrzahl von aus Faser-Metall-Laminat gebildeten Karosseriebauteilen auf, welche zumindest mittelbar miteinander verbunden sind.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die selbsttragende Karosserie bezogen auf ihr Gewicht und/oder bezogen auf die Anzahl ihrer Karosseriebauteile zumindest überwiegend aus einem Faser-Metall-Laminat gebildet ist.
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Beispielsweise kann die selbsttragende Karosserie eine Bodengruppe aufweisen, welche üblicherweise auch als Fahrzeugboden bezeichnet wird. Die Bodengruppe ist vorzugsweise aus Faser-Metall-Laminat-Karosseriebauteilen gebildet, welche miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschraubt und/oder verklebt, sind. Die Bodengruppe ist beispielsweise unter Ausbildung der vollständigen Karosserie um Anbauteile aus weiteren Teilen ergänzt, wobei zumindest einige der weiteren Teile aus einem Faser-Metall-Laminat gebildet sein können. Ziel hierbei ist es, möglichst große und gleichmäßig belastbare Karosseriebauteile zu schaffen, um den Aufwand zum Herstellen der Karosserie gering zu halten.
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Tragende Kontakt- und Verbindungspunkte werden durch Bauteile aus Faser-Metall-Laminat, Aluminium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung oder hochfesten Stählen – je nach auftretender Belastung und Auslegung – verstärkt. Auch hierbei ist es das Ziel, durch intelligente Komponentenfertigung, beispielsweise durch Profilierung der Komponenten, den Materialaufwand zu minimieren und die Stabilität zu maximieren. Bei einer solchen Profilierung kann es sich um eine wellenförmige und/oder U-förmige Ausgestaltung beziehungsweise Profilierung der Komponenten handeln. Je nach Auslegung des Fahrzeugs können Vorder- und/oder Hinterwagenmodule an die Bodengruppe angefügt werden.
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Dies erfolgt zum Beispiel in Abhängigkeit von dem Antriebsstrang des Fahrzeugs, das heißt beispielsweise in Abhängigkeit davon, ob der Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor und/oder ein Elektromotor umfasst und/oder ob das Fahrzeug mit einem Frontantrieb, einem Heckantrieb oder einem Vierradantrieb versehen wird. Die Vorder- und Hinterwagenmodule bestehen – je nach Anforderung – aus dem gleichen Werkstoff wie die Bodengruppe, können jedoch auch aus einem anderen Material gebildet sein, um dadurch eine besonders hohe Unfallsicherheit, eine vorteilhafte Knautschzone, eine Schwingungsdämpfung oder dergleichen zu realisieren.
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Weitere Anbauteile wie beispielsweise Flügelelemente, insbesondere Heckklappen, Fronthauben, Motorhauben etc., können beispielsweise durch Spritzgießen aus einem Kunststoff hergestellt sein.
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Das Faser-Metall-Laminat weist beispielsweise ein thermoplastisches Matrixsystem auf, wobei die Herstellung eines solchen Faser-Metall-Laminats mit thermoplastischem Matrixsystem rein thermisch ohne aushärtende Systeme wie Harz, Härter und/oder Lösemittel erfolgen kann. Daher sind die Rohstoffe, aus dem Faser-Metall-Laminat hergestellt wird, ohne Kühlanforderungen zumindest nahezu unbegrenzt lagerfähig. Ferner findet bei der Herstellung des Faser-Metall-Laminats kein lang andauernder Aushärtungsprozess unter Bildung schädlicher Reaktionsprodukte statt.
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Thermoplastische Laminate werden beispielsweise mittels autoklavloser Heißpresstechnik oder Vakuumtechnik mit sehr kurzen Zykluszeiten hergestellt. Zumindest eine der Schichten, insbesondere der Kunststoff der ersten Schicht, wird zum Beispiel unter Druck aufgeschmolzen, wobei eine Temperatur in einem Bereich von einschließlich 20 Grad Celsius bis einschließlich 40 Grad Celsius oberhalb der Konsolidierungstemperatur (Schmelztemperatur) des Kunststoffs (Thermoplasten) vorgesehen ist, und unter Druck abgekühlt. Während dieser Abkühlphase gehen der Kunststoff und der metallische Werkstoff eine feste Verbindung miteinander ein. Hierbei werden die beiden Schichten miteinander über den Kunststoff der ersten Schicht verklebt. Durch eine kontinuierliche Herstellung von großflächigen Laminathalbzeugen, beispielsweise mit Hilfe einer Doppelbandpresse kann eine sehr kostengünstige, großserientaugliche Herstellung realisiert werden.
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Des Weiteren ist es denkbar, dass das Laminat wenigstens eine dritte Schicht aus einem weiteren metallischen Werkstoff aufweist, wobei der weitere metallische Werkstoff von dem ersten metallischen Werkstoff unterschiedlich ist. Dabei kann es sich beispielsweise bei dem ersten Werkstoff um Aluminium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung handeln, wobei es sich bei dem zweiten metallischen Werkstoff um ein anderes Leichtmetall, insbesondere um Magnesium beziehungsweise einer Magnesiumlegierung, handelt. Hierbei ist die erste Schicht zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht angeordnet, so dass beispielsweise die erste Schicht, insbesondere ihr Kunststoff, einerseits mit der zweiten Schicht und andererseits mit der dritten Schicht verbunden ist. Dies bedeutet, dass sowohl die zweite Schicht als auch die dritte Schicht mit der ersten Schicht verklebt und über die erste Schicht miteinander verbunden sind.
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Vorzugsweise wird die Verwendung von möglichst dünnen Metall- und Kunststoffschichten angestrebt, um einen möglichst guten Kompromiss zwischen den einzelnen Werkstoff-Eigenschaften zu erzielen.
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Durch die Verwendung eines solchen Faser-Metall-Laminats kann auch eine höhere Stabilität als bei ausschließlicher Verwendung von faserverstärktem Kunststoff, insbesondere kohlefaserverstärktem Kunststoff, erzielt werden. Dabei ergänzen sich die Schichten in vorteilhafter Weise. Die aus dem metallischen Werkstoff gebildete zweite Schicht kann beispielsweise Kräfte aufnehmen, die quer zur Faserrichtung der ersten Schicht wirken. Die erste Schicht hingegen kann beispielsweise die Entstehung von Rissen in der zweiten Schicht hemmen. Darüber hinaus kann die Korrosionsgefahr für die zweite Schicht besonders gering gehalten werden, da diese beispielsweise zumindest teilweise vorzugsweise zumindest überwiegend mit der ersten Schicht, insbesondere mit dem Kunststoff der ersten Schicht, ummantelt ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines Karosseriebauteils für eine selbsttragende Karosserie eines Fahrzeugs, wobei das Karosseriebauteil aus einem Laminat gebildet ist, das wenigstens eine erste Schicht aus einem faserverstärkten Kunststoff und wenigstens eine in zumindest teilweiser Überdeckung mit der ersten Schicht angeordnete und mit der ersten Schicht verbundene, zweite Schicht aus einem metallischen Werkstoff aufweist;
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2 eine schematische Seitenansicht einer selbsttragenden Karosserie für ein Fahrzeug, welche eine Mehrzahl von Karosseriebauteilen aufweist, die aus einem Faser-Metall-Laminat gebildet sind; und
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3 eine schematische Explosionsansicht der Karosserie gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Karosseriebauteil für eine beispielsweise aus 2 und 3 gezeigte, selbsttragende Karosserie 12 eines Fahrzeugs in Form eines Personenkraftwagens. Das Karosseriebauteil 10 ist aus einem Laminat in Form eines Faser-Metall-Laminats 14 gebildet. Dieses Faser-Metall-Laminat 14 weist Schichten 16a–c auf, die aus einem faserverstärkten Kunststoff, beispielsweise aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), gebildet sind. Die ersten Schichten 16a–c können dabei aus dem gleichen faserverstärkten Kunststoff oder aus unterschiedlichen faserverstärkten Kunststoffen gebildet sein. Der jeweilige faserverstärkte Kunststoff weist Verstärkungsfasern auf, welche als „Fasern” bezeichnet werden. Ferner weist der jeweilige faserverstärkte Kunststoff als Matrix einen Kunststoff, beispielsweise einen Thermoplasten auf. Die Fasern sind dabei in die Matrix zumindest teilweise eingebettet.
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Das Faser-Metall-Laminat 14 weist darüber hinaus zweite Schichten 18a–b auf. Aus 1 ist erkennbar, dass die ersten Schichten 16a–c in gegenseitiger Überdeckung angeordnet sind. Auch die Schichten 18a und 18b sind in gegenseitiger Überdeckung angeordnet. Darüber hinaus sind die Schichten 16a–c in Überdeckung mit den Schichten 18a–b angeordnet. Mit anderen Worten überlappen sich die Schichten 16a–c und 18a–b des Faser-Metall-Laminats 14 gegenseitig. Zwischen der Schicht 18a und der Schicht 16a, zwischen der Schicht 18a und 16b, zwischen der Schicht 18b und 16b und zwischen der Schicht 18b und 16c sind jeweilige Verbindungsschichten 20a–d in Form von Grenzschichten vorgesehen. Über diese Grenzschichten ist die Schicht 16a mit der Schicht 18b, die Schicht 16b mit der Schicht 18a, die Schicht 18b mit der Schicht 16b und die Schicht 18b mit der Schicht 16c verbunden, insbesondere verklebt, so dass die Schichten 16a–c und die Schichten 18a–b miteinander verbunden, insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden, sind.
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Beispielsweise sind die Verbindungsschichten 20a–d aus einem Klebstoff gebildet, mittels welchem die Schichten 16a–c und die Schichten 18a–b miteinander verklebt sind. Bei dem Klebstoff der Verbindungsschichten 20a und 20b handelt es sich beispielsweise um den Kunststoff der Schicht 18a. Ferner handelt es sich vorzugsweise bei dem Klebstoff der Verbindungsschicht 20c und der Verbindungsschicht 20d um den Kunststoff der Schicht 18b. Im Rahmen der Herstellung des Karosseriebauteils 10 werden die Schichten 16a–c und 18a–b erwärmt, so dass beispielsweise der jeweilige Kunststoff der Schicht 18a und der Schicht 18b zumindest teilweise aufschmilzt. Hierdurch kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Schicht 18a und der Schicht 16a, der Schicht 18a und 16b, der Schicht 18b und 16b und der Schicht 18b und 16c realisiert werden.
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Bei dem jeweiligen Kunststoff der Schicht 18a und 18b kann es sich um einen Thermoplasten oder einen Duromer handeln. Der Thermoplast ist beispielsweise ein Polyetheretherketon oder ein Polyphenylensulfon. Ferner kann es sich um Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polystyrol oder Polyphenylenether-Blends handeln. Die jeweilige Verbindungsschicht 20a–d kann einen Thermoplast, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer, einen kautschukmodifizierten Thermoplast oder einen silanmodifizierten Thermoplast beziehungsweise Polymerblend umfassen. Ein thermoplastischer Elastomer kann thermoplastischen Kautschuk umfassen.
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Insbesondere kann die jeweilige Verbindungsschicht 20a–d thermoplastisches Urethan, thermoplastische Polyesterelastomere, thermoplastische Polyether-Polyamid-Elastomere, Polymerblends wie beispielsweise unvernetzte Elends mit Polyolephin oder Polymerlegierung wie beispielsweise vernetzte Elastomere-Thermoplast-Legierungen umfassen.
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Die metallischen Schichten 18a und 18b können aus dem gleichen metallischen Werkstoff oder aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen gebildet sein. Bei dem metallischen Werkstoff kann es sich beispielsweise um Stahl handeln. Der jeweilige metallische Werkstoff kann ferner wenigstens ein Leichtmetall, insbesondere Aluminium und/oder Magnesium, aufweisen. Somit kann das Faser-Metall-Laminat 14 beispielsweise als Aluminium-CFK-Laminat ausgebildet sein. Ferner kann das Faser-Metall-Laminat 14 als Aluminium-CFK-Magnesium-GFK-Laminat ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass zumindest einer der faserverstärkten Kunststoffe als glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) oder als kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) ausgebildet sein kann.
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Durch die Verwendung des Faser-Metall-Laminats 14 können sowohl ein besonders geringes Gewicht als auch eine besonders hohe Steifigkeit des Karosseriebauteils 10 realisiert werden, so dass insgesamt ein nur geringes Gewicht sowie gleichzeitig eine besonders hohe Steifigkeit der Karosserie 12 dargestellt werden können.
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2 zeigt die Karosserie 12 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Karosserie 12 weist ein Vorderwagenmodul 22 und ein Hinterwagenmodul 24 auf. Darüber hinaus weist die Karosserie 12 ein Fahrgastzellenmodul 26 auf. Das Fahrgastzellenmodul 26 umfasst eine Bodengruppe 28, die beispielsweise eine Mehrzahl von Karosseriebauteilen in Form von Bodengruppenteilen, die miteinander verbunden sind, aufweisen kann. Das Vorderwagenmodul 22, das Hinterwagenmodul 24 und das Fahrgastzellenmodul 26 sind Modulbauteile der Karosserie 12, welche beispielsweise unabhängig voneinander hergestellt und nach ihrer Herstellung miteinander gefügt werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise das Vorderwagenmodul 22 über Verbindungsbereiche 30 mit dem Fahrgastzellenmodul 26 gefügt ist, wobei das Hinterwagenmodul 24 über Verbindungsbereiche 32 mit dem Fahrgastzellenmodul 26 gefügt ist.
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Auch das Vorderwagenmodul 22 und das Hinterwagenmodul 24 weisen jeweils eine Mehrzahl von Karosseriebauteilen auf. Zumindest ein Teil der Karosseriebauteile der selbsttragenden Karosserie 12 ist aus einem Faser-Metall-Laminat beziehungsweise dem Faser-Metall-Laminat 14 gebildet.
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3 zeigt die selbsttragende Karosserie 12 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist ein Antriebsmodul 34 vorgesehen, welches an dem Vorderwagenmodul 22 gehalten ist und zum Antreiben des Personenkraftwagens dient. Aus 3 ist erkennbar, dass die Bodengruppe 28 eine Mehrzahl von Karosseriebauteilen in Form von Bodenelementen 36 umfasst, wobei die Bodenelemente 36 jeweils aus einem Faser-Metall-Laminat gebildet sind. Darüber hinaus umfasst das Fahrgastzellenmodul 26 Seitenwandteile 38, die ebenfalls aus einem Faser Metall-Laminat gebildet sind. Außerdem umfasst das Fahrgastzellenmodul 26 Fahrzeugsäulen 40, welche Karosseriebauteile sind und ebenfalls aus einem Faser-Metall-Laminat gebildet sind.
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Die selbsttragende Karosserie 12 weist darüber hinaus seitliche Dachrahmen 42 eines Daches 44 auf, wobei die Dachrahmen 42 Karosseriebauteile sind und aus einem Faser-Metall-Laminat gebildet sind. Das Dach 44 weist zumindest im Wesentlichen flächige Dachelemente 46 auf, die sich in Fahrzeugquerrichtung zwischen den seitlichen Dachrahmen 42 und in Fahrzeuglängsrichtung zwischen Querspriegeln 50 des Daches erstrecken. Auch die Dachelemente 46 sind Karosseriebauteile und aus einem Faser-Metall-Laminat gebildet. In jeweiligen Verbindungsbereichen 48 sind die Fahrzeugsäulen 40 mit der Bodengruppe 28 beziehungsweise dem Dach 44 verbunden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass in dem jeweiligen Verbindungsbereich 48 wenigstens ein Verstärkungselement aus einem Faser-Metall-Laminat angeordnet ist. Bei diesem jeweiligen Verstärkungselement handelt es sich vorzugsweise ebenfalls um ein Karosseriebauteil der selbsttragenden Karosserie 12, mit welchem die selbsttragende Karosserie 12 verstärkt ist.
