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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Massekopplungsanordnung für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist allgemein bekannt, Fahrzeuge alleine mittels eines Elektromotors (Elektrofahrzeug) oder mittels einer Kombination eines Elektromotors und einer Antriebsmaschine einer anderen Art (Hybridantrieb) anzutreiben. Dabei wird die zum Antreiben des Elektromotors notwendige elektrische Energie in einem elektrischen Energiespeicher, wie z.B. einer Batterie bzw. einem Akkumulator gespeichert. Die Batterie kann von Zeit zu Zeit mittels einer externen elektrischen Energiequelle aufgeladen werden und kann dazu dienen, zurückgewonnene Bremsenergie (Rekuperationsenergie) zu speichern.
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Bekannte konstruktive Ausgestaltungen von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sehen einen überproportional großen Massenanteil der Batterie im Vergleich zum Gesamtfahrzeug vor. Zur Erzielung einer großen Reichweite werden die elektrisch angetriebenen Fahrzeuge mit großen Batterien ausgestattet, die eine Masse von mehreren 100 kg aufweisen können (beispielsweise 100 bis 400 kg). Somit bildet die Batterie bis zu 30% der Gesamtfahrzeugmasse. Durch die hohe Masse stellt die Batterie im Falle eines Unfalls eine potentielle Gefahr dar. Die Befestigung der Batterie an der Karosserie des Kraftfahrzeugs spielt daher eine wichtige Rolle. Bekannte Konzepte für elektrisch angetriebene Fahrzeuge sehen die Batterie als einheitlichen steifen Block im Bereich des Unterbodens des Fahrzeugs (idealerweise zwischen Vorder- und Hinterachse) vor. Die Batterie trägt infolgedessen zur Absenkung des Gesamtschwerpunkts des Fahrzeugs bei.
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Nachteilig ist allerdings, dass es im Falle einer Fahrzeugkollision oder eines Aufpralls des Fahrzeugs zu hohen Verzögerungen kommen kann, die aufgrund der hohen Masse der Traktionsbatterien dann eine starke Schubkraft auf die Fahrzeugkarosserie ausüben. Eine Dämpfung der Bewegung der Fahrzeugbatterie im Vergleich zu dem restlichen Fahrzeug spielt eine bedeutende Rolle beim Stabilitätsverhalten des Fahrzeugs im Falle einer Kollision. Während einer Kollision – oder im allgemeinen während eines ungewöhnlichen Verzögerungsvorgangs wie etwa einer Notbremsung – werden alle massebehafteten Objekte des Fahrzeugs bzw. im Inneren des Fahrzeugs ruckartigen Beschleunigungen ausgesetzt, die eine umso größere Beschleunigungskraft bedingt, je höher die Masse des verzögerten Objekts ist. Entscheidend für den zeitlichen Verlauf der Beschleunigung des Gesamtsystems Fahrzeug sind daher die Zeitverläufe der Beschleunigung der einzelnen Objekte, ihr jeweiliger Massebeitrag, ihre Kinematik und der energetische Anteil an der Gesamtbilanz der kinetischen Energie.
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Um bei einer Fahrzeugkollision den zeitlichen Verlauf der Beschleunigung des Gesamtsystems günstig zu beeinflussen, sind Verbindungssysteme bzw. Massekopplungsanordnungen zwischen Fahrzeugbatterie und Fahrzeugkarosserie bekannt, die die Batterie inklusive ihrer Trägerkonstruktion temporär und kontrolliert von der Fahrzeugkarosserie mechanisch abkoppeln. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift
DE 197 38 620 C1 so eine Massekopplungsanordnung bzw. ein Batterierückhaltesystem für Fahrzeugbatterien, bei dem seitliche Führungselemente eine Bewegung der Fahrzeugbatterie bei einem Aufprall zumindest teilweise zulassen. Durch die Abkopplung wird erreicht, dass die Batteriemasse während der Fahrzeugkollision eine eigene Bewegungstrajektorie durchläuft, und dadurch die Beschleunigungskräfte auf die Batterie günstiger gestaltet werden. Nachteilig an dem genannten Stand der Technik ist, dass die Haltekraft, mit der die Batterie in dem Batterierückhaltesystem fixiert ist, konstant ist und zu keinem Zeitpunkt in ihrer Stärke variiert oder vollständig ausgeschaltet werden kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Massekopplungsanordnung anzugeben, bei der die Abkopplung innerhalb der Massekopplungsanordnung verbessert vorgenommen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Masseabkopplungsanordnung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Abkopplung innerhalb der Massekopplungsanordnung verbessert vorgenommen werden kann. Dazu sind erfindungsgemäß Kopplungsmitteln vorgesehen, die dazu eingerichtet sind, ein Masseaufnahmeelement zur Aufnahme eines Masseobjekts mit einer mit dem Fahrzeug fest verbundenen Fahrzeugstruktur zu koppeln und/oder zumindest teilweise von der Fahrzeugstruktur zu entkoppeln. Die Kopplungsmittel umfassen mindestens eine Klebeverbindung, die dazu ausgebildet ist, den Grad der Kopplung einzustellen. Durch die Klebeverbindung wird das Masseobjekt (z.B. Batterie) an das Fahrzeug gekoppelt, wenn kein Crash vorliegt. Das Abkoppeln erfolgt vorteilhaft durch Versagen der Klebeverbindung bei Kräften, wie sie in einem Crash vorkommen, indem beispielsweise gezielt auf die Beanspruchbarkeit der Klebung Einfluss genommen wird. Durch die Abkopplung wird die in diesem Zeitraum verzögerte Masse verringert. Nach dem Versagen der Klebeverbindung kann sich das Masseobjekt relativ zum Fahrzeug bewegen. Durch diese Abkopplung des Masseaufnahmeelements des Fahrzeugs bei einer Fahrzeugkollision wird die Insassenbelastung reduziert, da zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht die gesamte Fahrzeugmasse, sondern nur ein verringerter Anteil der Gesamtfahrzeugmasse wirkt. Durch das Abkoppeln, bei dem das Masseobjekt (z.B. eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs) während einer Kollision des Fahrzeugs von einem an die Fahrzeugstruktur (z.B. eine Karosserie des Fahrzeugs) angekoppelten Zustand in einen von der Fahrzeugstruktur entkoppelten Zustand geschaltet wird, wird damit ab einem bestimmten Zeitpunkt die freie Bewegung des Masseaufnahmeelements und des Masseobjekts zumindest in einer Richtung relativ zu der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs (z.B. in Längsrichtung des Fahrzeugs) erlaubt. Damit kann in vorteilhafter Weise der Aufprallimpuls beeinflusst werden. Die auf die Fahrzeuginsassen wirkende Belastung wird somit reduziert, weshalb diese Vorrichtung die auf das gesamte Fahrzeug wirkende Verzögerung so beeinflusst, dass die Belastung und damit die Verletzungsgefahr für die Insassen gegenüber einem Fahrzeug ohne ein solches System deutlich verringert wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Vorteilhaft ist die Klebeverbindung flächig ausgeführt und verbindet somit das Masseobjekt bzw. Masseaufnahmeelement über eine vordefinierte Fläche mit der Karosserie. Über die Fläche bzw. Flächengröße dieser Klebeverbindung ist die Einstellung der Haltekraft vorteilhaft möglich, die das Masseobjekt mit der Karosserie verbindet. Die Flächengröße wird dabei so ausgelegt, dass sie bei Crashbelastung versagt und die Batterie sich nach dem Versagen relativ zum Fahrzeug (beispielsweise in Fahrtrichtung) bewegt.
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Die flächige Klebeverbindung ist vorteilhaft so ausgeführt, dass sie das Masseobjekt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs am Fahrzeug koppelt. Durch diese Ausführung kann das Masseobjekt an der Rückwand des Masseaufnahmeelementes angeklebt werden.
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Die flächige Klebeverbindung ist vorteilhaft so ausgeführt, dass sie das Masseobjekt parallel zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs am Fahrzeug koppelt. Durch die flächige Ausführung parallel zur Bewegungsrichtung entsteht eine gute Haltekraft, die das Masseobjekt relativ zur Bewegungsrichtung beispielsweise am Unterboden der Massekopplungsanordnung des Fahrzeugs fixiert.
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Vorteilhafterweise wird die flächige Klebeverbindung bei einer Kollision aufgrund der Trägheitskräfte des Masseobjektes auf Scherung beansprucht. Dabei ist die Klebeverbindung so ausgelegt, dass sie bei einer Belastung, wie sie im Crashfall auftritt, gezielt versagt.
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Die Klebeverbindung ist weiterhin vorteilhaft elektrisch leitfähig. Durch die elektrische Leitfähigkeit der Klebeverbindung kann diese durch einen elektrischen Strom, der durch die Klebeverbindung geleitet wird, erwärmt werden. Somit kann die Festigkeit des Klebstoffes reduziert werden. Dadurch lässt sich die Festigkeit der Klebeverbindung im Crashfall vermindern bzw. gezielt einstellen. Vorteilhaft wird die Energie für die Erwärmung aus der Batterie selbst bezogen.
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Weiterhin kann die Klebkraft der Klebeverbindung vorteilhaft thermisch, chemisch oder elektrisch beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Klebkraft bzw. Festigkeit der Klebeverbindung durch Erhitzen verringert werden. Da die Erwärmung des Klebstoffes und dessen Festigkeitsreduzierung in gewissem Umfang reversibel ist, kann der Mechanismus mit einer Precrash-Erkennung kombiniert werden. So steht vorteilhaft mehr Zeit zur Verfügung, um die Festigkeit der Klebeverbindung einzustellen. Erfolgt kein Crash, behält die Klebeverbindung ihre Festigkeit, wenn die Temperatur wieder gesenkt wird. Ebenso kann die Klebkraft bzw. Festigkeit der Klebeverbindung durch Zugabe oder Zuhilfenahme von chemischen Substanzen eingestellt werden. Diese können auf den Klebstoff selbst sowie auf die Verbindung von Klebstoff und Bauteil wirken.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Massekopplungsanordnung vorteilhaft eine Vorrichtung zur Precrash-Erkennung zugeordnet. Diese Precrash-Erkennungsvorrichtung ist ausgebildet, um Sensordaten zu erfassen, auszuwerten und Ergebnisse der Auswertung an ein Steuergerät weiterzuleiten, das vorteilhaft die Festigkeit der Klebeverbindung beeinflusst. Durch die Precrash-Erkennung kann eine bestehende oder in naher Zukunft auftretende Aufprallsituation so genau bestimmt werden, dass daraus eine Strategie zur Beeinflussung der Festigkeit der Klebeverbindung abgeleitet werden kann. Zur Bestimmung der Aufprallcharakteristik können Algorithmen zum Einsatz kommen, wie sie beispielsweise im Airbagbereich üblich sind. Die daraus resultierende Beeinflussung der Klebeverbindung kann über ein Regelwerk erfolgen.
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Beispielsweise wird bei einem Aufprall auf ein Objekt die Masse vorzugsweise zu Beginn des Aufpralls entkoppelt, um größere Verzögerungswerte zu erhalten.
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In einer weiteren Ausführungsform des Kraftfahrzeugantriebsstrangs ist die Massekopplungsanordnung als Batterieträgeranordnung ausgestaltet, wobei die Batterie des Kraftfahrzeugs das Masseobjekt darstellt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Form ein Kraftfahrzeug mit einer Batterieträgeranordnung als beispielhafte Ausführungsform einer Massekopplungsanordnung;
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2 zeigt in schematischer Form eine Ausführungsform der Batterieträgeranordnung;
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3 zeigt in schematischer Form eine weitere Ausführungsform der Batterieträgeranordnung; und
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4 zeigt in schematischer Form eine weitere Ausführungsform der Batterieträgeranordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Massekopplungsanordnung 11 soll im Folgenden anhand eines in 1 schematisch dargestellten Kraftfahrzeugs 10 näher erläutert werden. Als Ausführungsform der Massekopplungsanordnung wird eine Anordnung gewählt, die ein Masseaufnahmeelement 12 (auch als Batterieaufnahmeelement 12 bezeichnet) aufweist, das dazu ausgebildet ist, ein Masseobjekt 13 (vorzugsweise eine Batterie 13) aufzunehmen. Dabei ist das Masseobjekt 13 mechanisch fest mit dem Masseaufnahmeelement 12 gekoppelt. Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Massekopplungsanordnung 11 auch in anderen Fahrzeugen, wie z.B. elektrisch angetriebenen Zweirädern, eingesetzt werden kann. Ebenfalls können anstatt der Batterie 13 als Masseobjekt 13 auch andere singuläre Massen im Fahrzeug als Masseobjekt definiert werden. Beispielsweise ist das beschriebene Wirkprinzip auch auf einen Motor als Masseobjekt anwendbar. Des Weiteren weist die Massekopplungsanordnung 11 eine Führungsanordnung 14 auf, mittels der das Masseaufnahmeelement 12 in einer Längsrichtung des Kraftfahrzeugs 10 beweglich gelagert ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Führungsanordnung 14 das Masseaufnahmeelement 12 auch in einer von der Längsrichtung des Kraftfahrzeugs 10 abweichenden Richtung oder auch in verschiedenen Richtungen beweglich lagern.
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Außerdem weist die Massekopplungsanordnung 11 Kopplungsmittel 15 auf. Mit Hilfe der Kopplungsmittel 15 wird das Masseaufnahmeelement 12 im Normalfall mit einer Karosserie 17 bzw. Fahrzeugstruktur 17 des Kraftfahrzeugs 10 fest gekoppelt. Im Falle eines Aufpralls oder eine bevorstehenden Aufpralls wird das Masseaufnahmeelement 12 mittels der Kopplungsmittel 15 zumindest teilweise von der Karosserie entkoppelt. Die Kopplungsmittel 15 weisen mindestens eine Klebeverbindung 16 auf, die den Grad der Kopplung bedingt.
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Die Festigkeit der Klebeverbindung 16 wird im Crashfall beeinflusst und dadurch vermindert bzw. definiert eingestellt. Dazu ist denkbar, die Bauteile, die mit dem Masseaufnahmeelement 12 verbunden sind, zu erwärmen, um somit die Festigkeit des Klebstoffes zu reduzieren. Wird die Klebeverbindung 16 elektrisch mittels elektrisch leitfähiger Klebstoffe ausgeführt, kann die Klebeverbindung 16 erwärmt werden, indem durch den Klebstoff Strom geleitet wird, wodurch sich die Festigkeit der Klebeverbindung 16 reduziert. Die Energie für die Erwärmung wird vorteilhaft aus der Batterie selbst bezogen.
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Besonders die Erwärmung der Klebeverbindung und dessen Festigkeitsreduzierung sind in gewissem Umfang reversibel.
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Weiterhin kann die Festigkeit der Klebeverbindung 16 unter Zuhilfenahme von chemischen Substanzen beeinflusst werden. Diese können auf den Klebstoff der Klebeverbindung 16 und/oder auf die Verbindung von Klebstoff und Bauteil wirken.
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Der Mechanismus der Abkopplung kann mit einer Precrash-Erkennung kombiniert werden. Zu diesem Zweck ist eine Precrash-Erkennungsvorrichtung 18 (vereinfacht als Steuergerät 18 bezeichnet) vorhanden. Das Steuergerät 18 dient insbesondere zur Beeinflussung der Festigkeit der Klebeverbindung 16. Ferner ist das Steuergerät 18 mit einer Sensoranordnung 19 elektrisch verbunden. Die Sensoranordnung 19 weist wiederum eine Sensorik 20 und eine Auswerteelektronik 21 auf. Die Sensorik 20 weist typischerweise einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drucksensor auf. Da es sich bei diesen Sensoren um typische Airbagsensoren handelt, kann die Auswertung der Daten über die Airbagelektronik erfolgen. Die Auswerteelektronik 21 kann aber auch unabhängig von der Airbagelektronik realisiert werden. Darüber hinaus kann die Sensorik 20 vorausschauende Sensoren aufweisen. Dies umfasst insbesondere laserbasierte Sensoren (LIDAR), Radar und/oder Videosensoren. Ferner kann die Sensorik 20 eine Empfängereinheit aufweisen, die Signale aus einer Fahrzeug-zu-Fahrzeug-(Car2Car-) bzw. Fahrzeug-zu-Infrastruktur-(Car2Infrastructure-)Kommunikation empfängt.
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Mit Hilfe der Sensoranordnung 19 kann eine bestehende oder in naher Zukunft auftretende Aufprallsituation genau bestimmt werden. Dazu werden die Signale, die von den verschiedenen Sensoren der Sensorik 20 zur Verfügung gestellt werden, in der Auswerteelektronik 21 miteinander kombiniert und ausgewertet. Die Ergebnisse dieser Auswertung werden an das Steuergerät 18 weitergeleitet. Das Steuergerät 18 beeinflusst daraufhin die Festigkeit der Klebeverbindung 16, mittels der das Masseaufnahmeelement 12 inklusive des Masseobjekte 13 im Falle eines Aufpralls oder eines unmittelbar bevorstehenden Aufpralls zumindest teilweise von der Karosserie 17 bzw. Fahrzeugstruktur 17 des Kraftfahrzeugs 10 abgekoppelt wird. Der zeitliche Verlauf der Abkopplung des Masseaufnahmeelementes 12 bzw. der Grad der Kopplung richtet sich nach der speziellen Aufprallsituation, die von der Sensoranordnung 19 bestimmt wird. Die Abkopplung des Masseaufnahmeelements 12 im Falle eines Aufpralls erfolgt unter der Maßgabe, dass die Belastung der Insassen reduziert wird. Durch die erfindungsgemäße Abkopplung des Masseaufnahmeelements 12 wird die während des Aufpralls wirksame Masse beeinflusst. Dies wiederum ermöglicht eine Beeinflussung des Aufprallimpulses. Somit kann mit Hilfe der Massekopplungsanordnung 11 die auf das gesamte Fahrzeug 10 wirkende Verzögerung so beeinflusst werden, dass die Belastung und damit die Verletzungsgefahr für die Insassen gegenüber einem Fahrzeug ohne ein solches System deutlich verringert wird. Die Führungsanordnung 14 stellt sicher, dass das Masseaufnahmeelement 14 inklusive des Masseobjektes 13 (Batterie 13) während eines Aufpralls ausschließlich in einer Längsrichtung des Kraftfahrzeugs 10 bewegt werden kann.
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2 zeigt in schematischer Form eine Ausführungsform der Massekopplungsanordnung 11. Die Massekopplungsanordnung 11 weist das Masseaufnahmeelement 12, das Masseobjekt 13 (z.B. die Batterie 13) und die Führungsanordnung 14 auf. Des Weiteren weist die Massekopplungsanordnung 11 zumindest ein Kopplungsmittel 15, das vorzugsweise eine Klebeverbindung 16 ist, auf. Das Kopplungsmittel 15 befindet sich unter dem Masseaufnahmeelement 12 und koppelt dieses an die Fahrzeugstruktur 17 bzw. Karosserie 17. Das Masseaufnahmeelement 12 liegt somit auf der Klebeverbindung 16 auf. Die Klebeverbindung 16 ist flächig ausgeführt und koppelt das Masseaufnahmelement 12 parallel zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs 10 am Fahrzeug 10 bzw. an dessen Fahrzeugstruktur 17. Bei einer Kollision wird die Klebeverbindung aufgrund der Trägheitskräfte der Batterie auf Scherung beansprucht und ist so ausgelegt, dass sie bei der Belastung versagt wie sie in einem Crash auftritt. Nach dem Versagen der Klebeverbindung 16 bewegt sich die Batterie relativ zum Fahrzeug weiter in Fahrtrichtung.
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In der 3 ist eine weitere Ausführungsform der Massekopplungsanordnung 11 gezeigt. Gleiche Elemente in Bezug auf die 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Das Kopplungsmittel 15 befindet sich im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 2 auf der der Fahrrichtung des Fahrzeugs 10 abgewandten Seite des Masseaufnahmeelementes 12 und koppelt dieses an die Fahrzeugstruktur 17 bzw. Karosserie 17. Die Klebeverbindung 16 ist flächig ausgeführt und koppelt das Masseaufnahmelement 12 somit senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs 10 am Fahrzeug 10 bzw. an dessen Fahrzeugstruktur 17. Bei einer Kollision ist die Klebeverbindung 16 so ausgelegt, dass sie bei der Belastung versagt wie sie in einem Crash auftritt. Nach dem Versagen der Klebeverbindung 16 bewegt sich die Batterie relativ zum Fahrzeug weiter in Fahrtrichtung.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Massekopplungsanordnung 11 gezeigt. Gleiche Elemente in Bezug auf 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Die Massekopplungsanordnung 11 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Führungsanordnung 14 auf, wobei das Masseaufnahmeelement 12 über mindestens ein Lager 22 mit der Führungsanordnung 14 verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist das mindestens eine Lager 22 mittels der Klebeverbindung 16 verklebt und koppelt somit das Masseaufnahmeelement 12 am Fahrzeug 10 bzw. an dessen Fahrzeugstruktur 17. Bei einer Kollision ist die Klebeverbindung 16 so ausgelegt, dass sie bei der Belastung versagt wie sie in einem Crash auftritt. Nach dem Versagen der Klebeverbindung 16 bewegt sich die Batterie relativ zum Fahrzeug weiter in Fahrtrichtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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