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Die Erfindung betrifft eine Schweller-Bodenstruktur-Anordnung eines Fahrzeugs mit einem unterhalb der Bodenstruktur angeordneten Batteriekasten und einem mit dem Schweller verbundenen Energieabsorptionsmodul.
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Elektrifizierte Fahrzeuge mit bodennah angeordneten Traktionsbatterien benötigen besondere Schutzmaßnahmen für eine Seitenkollision. So ist es bekannt, ein Metallprofil vor die Traktionsbatterien anzuordnen, welches durch Deformation Crashenergie aufnimmt und so die Batterien vor Beschädigung schützt.
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Zum Schutz vor einem Seitencrash schlägt die gattungsbildende
DE 10 2012 017 879 A1 eine Schweller-Bodenstruktur-Anordnung eines Fahrzeugs vor, bei welcher in dem zwischen dem Schweller und den Traktionsbatterien zur Verfügung stehenden Deformationsraum energieabsorbierende Deformationselemente angeordnet werden. Mit solchen Deformationselementen sollen einerseits Aufprallenergie abgebaut und zum anderen ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Batteriekasten und der eindringenden Crashfront verhindert werden. Gemäß dieser
DE 10 2012 017 879 A1 sollen solche Deformationselemente als Sandwich-, Waben- oder Schaumstrukturen aus Metall, Kunststoff oder aus Faserverbundmaterial in der Form ähnlich von Faltenbeul-Rohren oder Stülp-Rohren hergestellt werden.
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Eine weitere gattungsbildende
DE 10 2013 014 004 A1 beschreibt eine Fahrzeugkarosserie mit einem bodenseitigen Aufnahmeraum zur Aufnahme einer Traktionsbatterie. Um eine Verformung dieses Aufnahmeraums bei einer Kollision zu verhindern, weist ein Karosserieboden zwei seitliche Rahmenlängsträger und einen dazwischen angeordneten Bodenstrukturbereich auf, unter welchem der Aufnahmeraum gebildet wird. Dieser Bodenstrukturbereich weist ein Bodenstrukturelement aus faserverstärktem Kunststoff auf, wobei zwischen einem Rahmenlängsträger und einem nächstliegenden Seitenschweller jeweils ein Energieabsorptionselement aus faserverstärktem Kunststoff angeordnet ist. Die Energieabsorptionselemente bestehen aus einem Absorptionskernelement aus faserverstärktem Kunststoff in Form einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten und in Fahrzeugquerrichtung verlaufenden Röhren, wobei benachbarte Röhren um einen halben Durchmesserwert zueinander höhenversetzt angeordnet sind. Diese röhrenprofilförmigen Absorptionskernelemente werden jeweils endseitig von einem Abdeckelement aus faserverstärktem Kunststoff bedeckt, die gleichzeitig zur Integration der Energieabsorptionselemente zwischen dem jeweiligen Rahmenlängsträger und dem jeweiligen Seitenschweller dienen.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2013 002 504 A1 eine Bodenstruktur aus Faserverbundkunststoff für ein Fahrzeug bekannt, welches die Sicherheit im Fahrgastraum, insbesondere bei einem Seitenaufprall verbessern soll. Hierzu wird vorgeschlagen, die Bodenstruktur aus einer dem Innenraum des Fahrzeugs zugewandten Oberschale aus Faserverbundkunststoff und einer Unterschale aus Faserverbundkunststoff aufzubauen, wobei zwischen der Oberschale und der Unterschale eine Verstärkungsstruktur angeordnet ist. Diese Verstärkungsstruktur weist ein wellenartiges Profil auf und ist ebenso aus einem Faserverbundkunststoff gefertigt, wobei die Wellen bzw. Täler dieser Versteifungsstruktur quer zum Schweller, also in Fahrzeugquerrichtung verlaufen.
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Der Vollständigkeit halber sei auf die
JP 2013-123956 A verwiesen, die eine Batterie-Befestigungsstruktur für Fahrzeuge beschreibt. Bei diesem Fahrzeug ist unterhalb eines die Schweller des Fahrzeugs verbindenden Karosseriebodens ein Batteriekasten zur Aufnahme der Batterie angeordnet. Dieser Batteriekasten besteht aus einem die Batterie tragenden Bodenteil und einem die Batterie abdeckenden Deckelteil, wobei diese Teile endseitig jeweils über einen in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden Seitenrahmen verbunden sind, welcher seinerseits mit einer Unterseite des jeweiligen Schwellers mit demselben verbunden ist. Dieser Seitenrahmen ist zur Bildung einer Trittstufe in Fahrzeugquerrichtung über den Schweller hinaus verlängert, wobei diese Trittstufe integral mit dem Seitenrahmen als Hohlprofil hergestellt ist. Dieser Seitenrahmen mit der integrierten Trittstufe bildet zusammen mit dem die Batterie tragenden Bodenteil und dem Deckelteil die Batterie-Befestigungsstruktur. Mit einer solchen Batterie-Befestigungsstruktur soll eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit der Trittstufe mit möglichst einer geringen Anzahl von Bauteilen sichergestellt werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Schweller-Bodenstruktur-Anordnung eines Fahrzeugs der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die Energieaufnahme bei einem Seitencrash verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schweller-Bodenstruktur-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Schweller-Bodenstruktur-Anordnung eines Fahrzeugs mit einem unterhalb der Bodenstruktur angeordneten Batteriekasten und einem mit dem Schweller verbundenen Energieabsorptionsmodul zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- - das Energieabsorptionsmodul sowohl an einen Seitenrahmen des Batteriekastens kraftschlüssig als auch unterhalb des Schwellers kraftschlüssig an den Schweller angebunden ist,
- - das Energieabsorptionsmodul zwei benachbarte Faserverbundkunststoff-Platten mit jeweils einem Wellprofil umfasst,
- - die beiden Faserverbundkunststoff-Platten derart zueinander angeordnet sind, dass die Wellentäler der einen Faserverbundkunststoff-Platte und die Wellenberge der anderen Faserverbundkunststoff-Platte jeweils in Fahrzeugquerrichtung verlaufende Crashrohre bilden, wobei die Profilrichtung des Wellprofils quer zur Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet ist,
- - das Energieabsorptionsmodul zur Verbindung mit dem Schweller wenigstens einen Anschlussbolzen aufweist, welche an der in Fahrzeughochrichtung gesehen oberen Faserverbundkunststoff-Platte angeformt ist,
- - die in Fahrzeughochrichtung gesehen untere Faserverbundkunststoff-Platte eine Anbindungsstruktur zur Verbindung des Energieabsorptionsmoduls mit dem Seitenrahmen aufweist, wobei die zum Seitenrahmen benachbarte Kante der unteren Faserverbundkunststoff-Platte von der Anbindungsstruktur U-förmig unter Bildung von zwei Schenkeln umschlossen wird und der die beiden Schenkel verbindende Abschnitt eine an dem Seitenrahmen anliegende Anlagefläche bildet, und
- - die in Fahrzeughochrichtung gesehen obere Faserverbundkunststoff-Platte eine Anbindungsstruktur zur Verbindung des Energieabsorptionsmoduls mit dem Seitenrahmen aufweist, wobei die zum Seitenrahmen benachbarte Kante der oberen Faserverbundkunststoff-Platte von der Anbindungsstruktur U-förmig unter Bildung von zwei Schenkeln umschlossen wird und die stirnseitige Verbindung der beiden Schenkel sich senkrecht zur Profilrichtung in einem Verbindungsflansch unter Bildung einer an dem Seitenrahmen anliegenden Anlagefläche fortsetzt.
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Mit einem solchen plattenförmigen Energieabsorptionsmodul aus einem Faserverbundkunststoff mit Wellprofil wird eine höhere spezifische Energieabsorption im Vergleich zu Metallen erreicht, weshalb gegenüber einem metallischen Energieabsorptionsmodul bei gleichem Energieeintrag das erfindungsgemäße Energieabsorptionsmodul mit geringerem Gewicht ausgeführt werden kann. Ferner kann durch den spezifischen Versagensmodus bei einer Verwendung von Faserverbundkunststoff das Energieabsorptionsmodul restblockfrei Energie aufnehmen, d. h. es steht eine größere Crashlänge zur Verfügung. Durch die Anbindung dieses Energieabsorptionselement sowohl an den Batteriekasten als auch an den Schweller wird eine Strukturintegration in die Karosserie des Fahrzeugs sichergestellt, wodurch die Karosseriesteifigkeit verbessert wird.
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Mit den Anschlussbolzen können Schraubhülsen integriert werden, um damit eine schnelle und einfache Montage an den Schweller zu realisieren. Mit der Anbindungsstruktur, die flanschartig realisiert ist, kann das Energieabsorptionsmodul bspw. mittels einer Klebeverbindung an den Seitenrahmen des Batteriekastens angebunden werden.
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Mit solchen zwei aufeinandergelegten Faserverbundkunststoff-Platten mit jeweils einem Wellprofil wird eine hochwirksame Versteifungsstruktur mit einer zu Crashrohren führenden Doppelwellenform in Fahrzeugquerrichtung realisiert. Diese Crashrohre werden jeweils durch übereinander liegende Wellenberge und Wellentäler der beiden Faserverbundkunststoff-Platten gebildet und nehmen als in Fahrzeugquerrichtung versteifend wirkende Deformationselemente Aufprallenergie bei einem Seitencrash auf.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 4 entnehmbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische und perspektivische Detaildarstellung einer Schweller-Bodenstruktur-Anordnung einer Fahrzeugkarosserie mit einem Ausführungsbeispiel eines Energieabsorptionsmoduls gemäß der Erfindung,
- 2 eine perspektivische Darstellung des Energieabsorptionsmoduls gemäß 1,
- 3 eine Darstellung des Y-Schnittes I-I gemäß 2,
- 4 eine Darstellung des X-Schnittes II-II gemäß 2, und
- 5 eine perspektivische und schematische Darstellung eines Details A des Energieabsorptionsmoduls gemäß 2.
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Die 1 zeigt einen perspektivischen Ausschnitt einer Schweller-Bodenstruktur-Anordnung 1 einer Fahrzeugkarosserie (in 1 nicht dargestellt), die aus einer Bodenstruktur 1.1, an die sich jeweils in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) ein Schweller 1.3 anschließt, und einem Batteriekasten 1.2 mit einem in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) verlaufenden und in Fahrzeugquerrichtung sich anschließenden Seitenrahmen 1.20 des Batteriekastens 1.2. An diesen Seitenrahmen 1.20 schließt sich auf gleicher Höhe des Batteriekastens 1.20 in Fahrzeugquerrichtung ein Energieabsorptionsmodul 2 an, welches sich unterhalb des Schwellers 1.3 befindet und sich an diesen Schweller 1.3 in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) nach unten anschließt. In Fahrzeugquerrichtung erstreckt sich dieses Energieabsorptionsmodul 2 über die gesamte Breite des Schwellers 1.3. In Fahrzeuglängsrichtung erstreckt sich dieses Energieabsorptionsmodul 2 zwischen der A-Säule und der C-Säule der Fahrzeugkarosserie.
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Im Detail wird dieses Energieabsorptionsmodul 2 und dessen Anbindung an die Fahrzeugkarosserie anhand der folgenden 2 bis 5 beschrieben.
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Das Energieabsorptionsmodul 2 besteht aus zwei Komponenten, nämlich einer unteren Faserverbundkunststoff (FVK)-Platte 2.1 und einer oberen Faserverbundkunststoff (FVK)-Platte 2.2 mit jeweils einem Wellprofil. Hierbei sind diese beiden Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 derart miteinander verbunden, das jeweils ein Wellental der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 und ein Wellenberg der oberen Faserverbundkunststoff-Platte 2.2 unter Bildung eines Crashrohres 2.0 übereinander liegen, wie dies insbesondere aus den 2, 3 und 5 ersichtlich ist. Hierbei verläuft die Profilrichtung R der beiden Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 und somit auch die Crashrohre 2.0 in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung). Mit diesen Crashrohren 2.0 wird eine Versteifungsstruktur zur Bildung eines Krafteinleitungspfades in Fahrzeugquerrichtung geschaffen, mit welcher im Falle eines Seitenaufpralls Crashenergie aufgenommen und somit Aufprallenergie abgebaut wird.
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Dieses aus den zwei Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 aufgebaute Energieabsorptionsmodul 2 wird zum einen über Anschlussbolzen 2.25 mit dem Schweller 1.3 verschraubt (vgl. 3 und 4) und zum anderen über Anbindungsstrukturen 2.10 und 2.20 der Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 mit dem Seitenrahmen 1.20 des Batteriekastens 1.2 durch Kleben kraft- und formschlüssig (vgl. 4) verbunden.
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Die beiden Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 werden aus einem Faserverbundkunststoff mit Endlosfasern in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) als Vorzugsorientierung hergestellt und jeweils mittels eines Spritzgussprozesses mit einem Kunststoff zur Herstellung der Anschlussbolzen 2.25 und der Anbindungsstrukturen 2.10 und 2.20 der beiden Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 umspritzt.
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Alternativ können die Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 auch in einem einzigen Spritzgussprozess hergestellt werden, indem ausgehend von einer einzigen Faserverbundkunststoff-Platte zunächst entlang einer Kante die Anbindungsstrukturen 2.10 und an der gegenüberliegenden Kante die Anbindungsstrukturen 2.20 zusammen mit den Anschlussbolzen 2.25 durch Umspritzen dieser Platte mittels Kunststoff hergestellt werden. Anschließend wird diese Platte mittig zwischen diesen Anbindungsstrukturen 2.10 und 2.20 zur Bildung der beiden Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 getrennt.
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Die in der beschriebenen Weise hergestellten Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 werden entsprechend der 2 so aufeinandergelegt, dass zum einen die Bereiche eines Wellenberges der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 und eines Wellentals der oberen Faserverbundkunststoff-Platte 2.2 zur Bildung der Crashrohre 2.0 aneinander liegen und zum anderen die Anbindungsstrukturen 2.10 und 2.20 auf der gleichen Seite liegen. Über die dadurch entstehenden Kontaktbereiche werden die beiden Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 durch Schweißen oder Kleben miteinander gefügt. In den 3 und 4 ist eine entsprechende Klebeschicht mit dem Bezugszeichen 2.3 bezeichnet. Dieses derart hergestellte Energieabsorptionsmodul 2 wird nun, wie oben beschrieben, über die Anschlussbolzen 2.25 mit dem Schweller 1.3 verschraubt und über die Anbindungsstrukturen 2.10 und 2.20 mit dem Seitenrahmen 1.20 des Batteriekastens 1.2 verklebt.
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Zur Anbindung des Energieabsorptionsmoduls 2 an den Schweller 1.3 sind in einigen Bereichen zwischen den Crashrohren 2.0, in denen ein Wellenberg der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 an einem Wellental der oberen Faserverbundkunststoff-Platte 2.2 anliegt, jeweils ein domförmiger Anschlussbolzen 2.25 an die obere Faserverbundkunststoff-Platte 2.2 mittels des umspritzten Kunststoffes angeformt. Die Höhe eines Anschlussbolzens 2.25 entspricht mindestens der Höhe des Wellprofils, so dass im an den Schweller 1.3 montierten Zustand des Energieabsorptionsmoduls 2 der Anschlussbolzen 2.25 stirnseitig an der Unterseite des Schwellers 1.3 anliegt. Die Anschlussbolzen 2.25 sind gemäß den 2 und 3 in Fahrzeuglängsrichtung reihenförmig mit einem Abstand derart angeordnet, dass sich jeweils zwischen zwei Anschlussbolzen 2.25 zwei Crashrohre 2.0 befinden.
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Jeder dieser Anschlussbolzen 2.25 weist eine Schraubhülse 2.26 auf, die sich bis auf die gegenüberliegende Seite der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 erstreckt und dort diese geringfügig überragt und ebenso mittels des umspritzten Kunststoffes domartig umschlossen ist. Eine Schraube 2.27 wird über die Seite der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 durch diese Schraubhülse 2.26 bis in den Schweller 1.3 hindurchgeführt und dort mittels einer Mutter 2.28 verschraubt, wie dies aus den 3 und 4 ersichtlich ist. Ferner weist dieser domförmige Anschlussbolzen 2.25 auf seinem Umfang gleichmäßig verteilte und radial verlaufende Stege auf, wie dies in 2 dargestellt ist. Mit dieser Schraubverbindung werden mit der Anbindung des Energieabsorptionsmoduls 2 an den Schweller 1.3 zusätzlich auch die Verbindung der beiden Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 gesichert.
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Die Anbindungsstrukturen 2.10 und 2.20 der beiden Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 sind lediglich an den benachbart zum Seitenrahmen 1.20 in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden Kanten der beiden Faserverbundkunststoff-Platten 2.1 und 2.2 realisiert.
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Die Anbindungsstruktur 2.10 der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 umschließt den Rand der Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 U-förmig mit zwei Schenkeln 2.11 und 2.12, wobei sich der längere dieser beiden Schenkel, nämlich der Schenkel 2.12 rechtwinklig in einen ersten Flanschabschnitt 2.13 fortsetzt, welcher seinerseits ebenso rechtwinklig in einen zweiten Flanschabschnitt 2.14 übergeht. Der an der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 anliegende Schenkel 2.12 bildet zusammen mit dem ersten Flanschabschnitt 2.13 und dem zweiten Flanschabschnitt 2.14 eine U-Form. Zwischen dem an der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 anliegenden Schenkel 2.12, dem ersten Flanschabschnitt 2.13 sowie dem zweiten Flanschabschnitt 2.14 erstreckt sich eine in Fahrzeugquerrichtung verlaufende stegartige Abstützung 2.15, die im mit dem Seitenrahmen 1.20 des Batteriekastens 1.2 angebundenen Zustand zur mechanischen Abstützung des Energieabsorptionsmoduls 2 an dem Batteriekasten 1.2 dient.
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Diese Anbindungsstruktur 2.10 der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 weist im Bereich des zweiten Flansches 2.14 und der Abstützung 2.15 einen Anschraubpunkt 2.16 zur Verbindung mit einem als Batterieschutz dienenden Unterboden 1.4 der Karosserie auf, wie dies in Figur vier dargestellt ist.
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Ferner ist nach 4 ein weiterer domförmiger Anschraubpunkt 2.17 mittels des umspritzten Kunststoffs auf der Unterseite der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1 angeformt, an welchem eine Schwellerverkleidung (in den Figuren nicht dargestellt) eingeschraubt wird. Dieser Anschraubpunkt 2.17 befindet sich auf der zum Seitenrahmen 1.20 gegenüberliegenden Seite des Energieabsorptionsmoduls 2 und fluchtet in Fahrzeugquerrichtung mit dem Anschlussbolzen 2.26.
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Die Anbindungsstruktur 2.20 der oberen Faserverbundkunststoff-Platte 2.2 weist eine ähnliche Struktur auf wie die Anbindungsstruktur 2.10 der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1.
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Auch die zum Seitenrahmen 1.20 benachbarte Kante der oberen Faserverbundkunststoff-Platte 2.2 wird von der Anbindungsstruktur 2.20 U-förmig unter Bildung eines Schenkels 2.21 und eine Schenkel 2.22 umschlossen. Die stirnseitige Verbindung dieser beiden Schenkel 2.21 und 2.22 setzt sich senkrecht zur Profilrichtung R in einen Verbindungsflansch 2.23 fort, so dass mit diesem Verbindungsflansch 2.23 das Wellental der oberen Faserverbundkunststoff-Platte 2.2 stirnseitig verschlossen und der Höhe des Wellprofil der oberen Faserverbundkunststoff-Platte 2.2 entspricht. Ferner ist dieser Verbindungsflansch 2.23 in der y-z-Ebene eine Querschnittsform auf, die sich ausgehend von dem Schenkel 2.12 zum Rand hin verjüngt, wodurch eine Abstützfunktion zum Batteriekasten 1.2 realisiert wird.
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Die Rückseite der Anbindungsstruktur 2.20 bildet eine Anlagefläche 2.24 und fluchtet mit einer Anlagefläche 2.18 der Anbindungsstruktur 2.10 der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.10, die von einem die beiden Schenkeln 2.11 und 2.12 verbindenden Abschnitt der Anbindungsstruktur 2.10 mittels des umspritzten Kunststoffs gebildet wird.
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Über diese Anlageflächen 2.18 und 2.24 wird das Energieabsorptionsmodul 2 mit dem Seitenrahmen 1.20 des Batteriekastens 1.2 durch Kleben oder Schweißen verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schweller-Bodenstruktur-Anordnung
- 1.1
- Bodenstruktur der Schweller-Bodenstruktur-Anordnung 1
- 1.2
- Batteriekasten
- 1.20
- Seitenrahmen des Batteriekastens 1.2
- 1.3
- Schweller der Schweller-Bodenstruktur-Anordnung 1
- 1.4
- Unterboden
- 2
- Energieabsorptionsmodul
- 2.0
- Crashrohr
- 2.1
- untere Faserverbundkunststoff-Platte des Energieabsorptionsmoduls 2
- 2.10
- Anbindungsstruktur der Faserverbundkunststoff-Platte 2.1
- 2.11
- Schenkel der Anbindungsstruktur 2.10
- 2.12
- Schenkel der Anbindungsstruktur 2.10
- 2.13
- erster Flanschabschnitt der Anbindungsstruktur 2.10
- 2.14
- zweiter Flanschabschnitt der Anbindungsstruktur 2.10
- 2.15
- Abstützung der Anbindungsstruktur 2.10
- 2.16
- Anschraubpunkt der Anbindungsstruktur 2.10
- 2.17
- Anschraubpunkt der Anbindungsstruktur 2.10
- 2.18
- Anlagefläche der Anbindungsstruktur 2.10
- 2.2
- obere Faserverbundkunststoff-Platte des Energieabsorptionsmoduls 2
- 2.20
- Anbindungsstruktur der Faserverbundkunststoff-Platte 2.2
- 2.21
- Schenkel der Anbindungsstruktur 2.20
- 2.22
- Schenkel der Anbindungsstruktur 2.20
- 2.23
- Verbindungsflansch der Anbindungsstruktur 2.20
- 2.24
- Anlagefläche der Anbindungsstruktur 2.20
- 2.25
- Anschlussbolzen der unteren Faserverbundkunststoff-Platte 2.1
- 2.26
- Schraubhülse des Anschlussbolzens 2.15
- 2.27
- Schraube
- 2.28
- Mutter
- 2.3
- Klebeschicht
