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Die Erfindung betrifft ein Schleppfahrzeug mit batterieelektrischem Antrieb und einer ein Batteriefach für eine Traktionsbatterie aufweisenden Rahmenstruktur mit einer seitlichen Öffnung zur Entnahme der Traktionsbatterie, wobei ein in Fahrzeuglängsrichtung ausgerichteter Torsionslängskasten neben und/oder über dem Batteriefach als tragendes Element der Rahmenstruktur angeordnet ist und in Fahrzeuglängsrichtung an der Vorderseite und/oder Rückseite des Batteriefachs jeweils ein quer zur Fahrzeuglängsrichtung ausgerichteter, mit dem Torsionslängskasten verbundener Torsionsquerkasten angeordnet ist.
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Batterieelektrisch angetriebene Schleppfahrzeuge, sogenannte Schlepper, werden z.B. für das Ziehen von Zügen aus Transportanhängern innerhalb von Betrieben verwendet. Sie kommen aber auch beispielsweise zum Ziehen von Gepäckanhängern auf Flughäfen und Bahnhöfen zum Einsatz. Solche Schleppfahrzeuge weisen eine zum Laden austauschbare Traktionsbatterie auf. Um eine relativ große und schwere Traktionsbatterie in einem Batteriefach mitführen zu können, ist eine leichte und kompakte Bauweise mit einem tragfähigen Rahmen, der zugleich eine schlanke Haupttragstruktur aufweist, sehr wichtig. Da der Anteil der Traktionsbatterie am Gewicht des Gesamtfahrzeugs sehr hoch liegen kann und etwa 45 % ausmachen kann, ergibt sich bei einem Schlepper ganz besonders das Problem, eine leichte und zugleich steife Rahmenstruktur zu finden.
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Für Traktionsbatterien, die höher oder ähnlich hoch sind wie die Rahmenstruktur des Rahmens, erlauben die bisher bei Schleppern üblichen Rahmenkonstruktionen nur einen vertikalen Batteriewechsel. Dabei weist die Rahmenstruktur eine große Öffnung für den Wechsel der Traktionsbatterie von oben her auf, während die Rahmenstruktur aus Festigkeitsgründen auf beiden Seiten geschlossen ausgeführt ist.
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Mit einer solchen Rahmenkonstruktion ist ein seitlicher Batteriewechsel in horizontaler Richtung nicht möglich. Jedoch bringt ein seitlicher Batteriewechsel, wie er in großer Zahl bereits z.B. bei Gabelstaplern zum Einsatz kommt, zahlreiche Vorteile mit sich. So kann das Anheben der großen Batterie mit beispielsweise bis zu 3 t Gewicht über das Fahrzeug hinweg, was Risiken in Hinblick auf die Arbeitssicherheit mit sich bringt, vermieden werden. Ein seitlicher Batteriewechsel ist auch schneller durchführbar und erfordert keinen Kran.
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Ein solcher seitlicher Batteriewechsel bei einem Schlepper erfordert jedoch eine Öffnung in der Seite der Rahmenstruktur, um über diese die Traktionsbatterie entnehmen zu können. Insbesondere bei Traktionsbatterien, die höher oder ähnlich hoch wie die Rahmenstruktur sind, ergibt dies eine deutliche Schwächung der Rahmenstruktur. Hinzu kann kommen, dass das Batteriefach auch an der Bodenseite zum Teil oder im überwiegenden Teil geöffnet sind, um ein Anheben der Traktionsbatterie in dem Batteriefach mit beispielsweise einem Gabelhubwagen oder einem Gabelstapler beim Wechseln der Traktionsbatterie zu ermöglichen. Eventuell muss aufgrund der Bauhöhe der Traktionsbatterie, oder um zumindest alternativ einen Wechsel der Traktionsbatterie nach oben zu ermöglichen, auch die Oberseite des Batteriefachs von Rahmenstrukturelementen frei bleiben. Es ergibt sich dann eine sehr offene Struktur des Fahrzeugrahmens, bei der im Extremfall über den Bereich des Batteriefachs in der Längserstreckung des Fahrzeugs alle tragenden Rahmenelemente seitlich des Batteriefachs konzentriert sind.
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Eine Möglichkeit, einen solchen seitlichen Batteriewechsel zu ermöglichen und dennoch eine steife Rahmenstruktur herzustellen, besteht darin, eine unterstützende bzw. als Teil des Rahmens wirkende Tür des Batteriefachs vorzusehen.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass dies jedoch einen deutlich erhöhten konstruktiven Aufwand erfordert, um Scharniere, Schlösser und die Tür selbst entsprechend tragfähig und gleichzeitig lösbar mit den Fahrzeugrahmen zu verbinden. Auch ergibt sich ein erhöhter produktionstechnischer Aufwand, da die Fertigungstoleranzen der gesamten Rahmenstruktur durch das Türschloss ausgeglichen werden müssen, bei gleichzeitig hoher Festigkeit. Im Ergebnis ist es in der Regel zwingend, bei der Montage der Tür einen zusätzlichen, exakten Einstellvorgang vorzusehen. Dennoch kommt es bei diesen Ausführungen immer wieder zu funktionellen Problemen durch unvorhergesehene Belastungen und Toleranzen mit der Folge von klemmenden Türschlössern.
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Die beschriebene, offene Rahmenstruktur mit seitlicher Batteriefachöffnung ohne mittragende Batteriefachtür sowie zusätzlich einem nach unten weitgehend offenen Batteriefachboden und eventuell auch noch einem nach oben offenen Batteriefach wegen der Höhe der Traktionsbatterie oder der zusätzlichen Möglichkeit, diese nach oben zu entnehmen, ist im Vergleich zu einer geschlossenen Struktur sehr nachgiebig, d.h. sie verformt sich stark unter Belastungen. Diese Verformungen können zu Funktionsproblemen beispielsweise an Türen oder Kabinen führen. Solche starken Verformungen bergen auch die zusätzliche Gefahr einer frühzeitigen Materialermüdung in sich.
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Solche Bereiche mit erhöhter Materialbelastung sind insbesondere die des Übergangs der Rahmenstruktur vor und hinter dem Batteriefach auf den Bereich des Batteriefachs, in dem die Rahmenstruktur auf den neben dem Batteriefach verbleibenden Raum konzentriert ist und zumeist aus einem Torsionskasten gebildet wird. Beim Beschleunigen und Abbremsen des Schleppers, insbesondere mit einem hohen Zuggewicht, ergeben sich hier hohe Belastungen.
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Um dem entgegenzuwirken, müssen die entsprechenden Bauteile mit erhöhten Materialstärken und zusätzlich aussteifenden Elementen ausgelegt werden. Hieran ist jedoch nachteilig, dass sich dadurch ein vergrößertes Gewicht der Rahmenstruktur und deutlich erhöhte Produktionskosten ergeben.
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Aus der
DE 10 2015 119 758 A1 und der
DE 10 2015 119 759 A1 sind Schlepper mit gattungsgemäßen Rahmenstrukturen bekannt, die drei Torsionshohlprofile oder Torsionskästen aufweisen, welche u-förmig um das Batteriefach herumlaufen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schleppfahrzeug der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass die Rahmenstruktur des Schleppfahrzeugs bei leichter und kostengünstiger Bauweise zugleich eine große Steifigkeit und hohe Festigkeit aufweist, wobei die zuvor genannten Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Verbindungsbereich von Torsionslängskasten und Torsionsquerkasten ein ebenes Flächenelement eingesetzt ist, dessen Ebene im Wesentlichen in Richtung der durch die Kastenlängsachsen des Torsionslängskastens und des Torsionsquerkastens gebildeten Winkelhalbierenden ausgerichtet ist und mit allen Innenflächen des Torsionslängskastens und des Torsionsquerkastens verbunden ist, insbesondere umlaufend verbunden bzw. mit Schweißnahtunterbrechungen verbunden ist.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter dem Merkmal der Ausrichtung des Flächenelements im Wesentlichen in Richtung der Winkelhalbierenden zu verstehen, dass die Flächenebene innerhalb eines Toleranzbereichs in Richtung der Winkelhalbierenden zeigt. Als Toleranzbereich wird eine Winkelabweichung von 30° angesehen. Dies bedeutet, dass die Flächennormale in einem 90°-Winkel zur Winkelhalbierenden steht, wobei eine Winkelabweichung in einem Toleranzbereich von 30° erlaubt ist.
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Außerdem wird im Folgenden der Begriff Kasten verwendet, wenn es sich entweder um den Torsionslängskasten oder den Torsionsquerkasten handelt. Diese Kästen weisen zumindest eine Kastendeckfläche und Kastenseitenflächen auf.
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Üblicherweise ist der Torsionslängskasten neben dem Batteriefach angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform ist es aber auch denkbar, den Torsionslängskasten über das Batteriefach hinweg anzuordnen. Dadurch ist eine beidseitige seitliche Entnahme einer Traktionsbatterie aus dem Batteriefach möglich.
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Im Regelfall hat zumindest der Torsionslängskasten einen rechteckigen Querschnitt. Es kann aber auch vorteilhaft sein, diesen sich verjüngend oder auch als Dreiecksquerschnitt auszuführen, wenn die Fahrzeugkontur dies beispielsweise erfordert.
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Die erfindungsgemäße Lösung unterscheidet sich grundlegend von bekannten Verstärkungsmaßnahmen an Rahmen von Flurförderzeugen, bei denen z.B. nur zwei Außenseiten eines Tanks an einem Gabelstapler mittels angeschweißter Bleche miteinander verbunden werden. Solche Maßnahmen wirken nur lokal und bieten keine Steigerung der globalen Steifigkeit. Sie stellen keine Wölbbehinderung dar.
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Im Gegensatz dazu wirkt das bei der Erfindung eingesetzte Flächenelement, welches umlaufend mit allen Innenflächen von zwei Kästen verbunden ist, als Wölbbehinderung für jeweils zwei Kastenquerschnitte. Damit wird die globale Gesamtsteifigkeit der Rahmenstruktur deutlich erhöht. Gleichzeitig wirkt es als lokale Verstärkung zwischen der Kastendeckfläche und der batteriefachseitigen Kastenseitenfläche. Die Kastendeckfläche und die Kastenseitenfläche sind üblicherweise als Bleche ausgebildet, die mit einer im Eckbereich kritisch belasteten Schweißnaht verbunden sind. Das eingesetzte Flächenelement reduziert das Aufhebeln der Bleche an der Schweißnaht erheblich und erhöht damit die Festigkeit und die Lebensdauer der Rahmenstruktur erheblich.
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Wenn ein Kastenprofil durch Torsion belastet wird, führt die Verwölbung der Querschnitte zu einer stark verringerten Gesamtsteifigkeit. Eine solche Verwölbung des seitlichen Torsionskastens, der die Haupttragstruktur über die Länge des Batteriefachs in Bezug auf die Gesamtlänge der Rahmenstruktur darstellt, wird durch das erfindungsgemäße Flächenelement verhindert.
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Vorzugsweise ist das Flächenelement als Radialblech ausgebildet. Das Radialblech ist in diesem Fall zweckmäßigerweise im Verbindungsbereich von zwei Kästen mit allen Innenflächen der Kästen verschweißt. Ein notwendiger Toleranzausgleich der Schweißkonstruktion erfogt durch leichte Variation der Winkelposition des Radialblechs. Es kann dabei sowohl der Winkel um die Vertikalachse als auch der Winkel um die Horizontalachse variiert werden. Dadurch liegt das Radialblech immer an den Kanten der beiden Kästen vollständig auf, so dass es fehlerfrei ohne Wurzelspalt verschweißt werden kann.
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Eine weitere Verbesserung der Steifigkeit der Rahmenstruktur kann dadurch erreicht werden, dass das Radialblech Öffnungen in seinem mittleren Bereich aufweist.
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Auch eine Umformung des Radialblechs ist möglich. Insbesondere kann das Radialblech gekantet sein.
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In einer anderen Variante der Erfindung ist das Flächenelement als Schmiedeteil ausgebildet.
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Auch eine Ausbildung als spanend hergestelltes Teil ist denkbar.
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Zweckmäßigerweise ist das Flächenelement in der äußeren Ecke des Verbindungsbereichs von Torsionslängskasten und Torsionsquerkasten angebracht.
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Besonders bevorzugt ist aber das Flächenelement versetzt zur äußeren Ecke des Verbindungsbereichs angebracht. Dadurch wird eine weitere Verbesserung der Steifigkeit und Festigkeit erreicht.
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Eine Steigerung der Gesamtsteifigkeit der Rahmenstruktur kann auch dadurch bewirkt werden, dass das Flächenelement so angebracht ist, dass die Ecken des Verbindungsbereichs ausgespart sind. Das Flächenelement ist dann in die Ecken der Kastenquerschnitte nicht vollständig eingeschweißt.
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Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, dass die Ausrichtung des Flächenelements innerhalb eines Toleranzbereichs von 30° von der Winkelhalbierenden abweicht.
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Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen:
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Die globale Steifigkeit, also der Widerstand gegen Verformungen, der Gesamtstruktur des Fahrzeugrahmens wird um 25 % erhöht. Damit treten um 25 % geringere Verformungen auf, wodurch auch zum Beispiel das Klemmen einer das Battereifach verschließenden Batterietür verhindert werden kann. Durch die Erhöhung der Festigkeit der Rahmenstruktur um 25 % wird mindestens eine Verdoppelung der Lebensdauer ermöglicht. Dabei liegt der zusätzliche Materialeinsatz für die Flächenelemente nur bei etwa 3 % der Kastenstruktur und ist damit äußerst effektiv. Da das Flächenelement gleichzeitig auf zwei Kastenquerschnitte wirkt, wird insgesamt die Wirkung um den Faktor zwei gesteigert. Der notwendige Toleranzausgleich der Schweißkonstruktion erfolgt durch leichte Variation der Winkelposition, ohne die vorteilhafte Wirkung zu beeinträchtigen. Dabei liegt das Flächenelement immer an den drei Kanten vollständig auf. Somit wird ein fehlerfreies Einschweißen ohne Wurzelspalt ermöglicht. Das Einschweißen des Flächenelements kann problemlos als Abschluss der Vorschweißbaugruppen Vorderwagen bzw. Hinterwagen erfolgen. Außerdem ist die Zugänglichkeit für den Schweißprozess sehr gut. Die Erfindung ermöglicht eine erhöhte Tragfähigkeit der Rahmenstruktur, wodurch höhere Lasttragfähigkeiten und größere Arbeitskräfte (zum Beispiel Zugkräfte) ermöglicht werden. Damit kann außerdem eine schwerere Batterie eingebaut werden, die die Reichweite des Fahrzeugs verbessert. Mit den Eigenschaften der Flächenelemente wird eine kompaktere Rahmenstruktur ermöglicht, die ein schlankeres Fahrzeug mit kleinerem Platzbedarf und Wendekreis erlaubt. Alternativ kann der freiwerdende Bauraum durch eine volumenmäßig größere Batterie genutzt werden. Aufgrund des insgesamt leichteren Rahmens können die Herstellkosten verringert und die Fahrzeugreichweite erhöht werden.
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Insbesondere bei einem Hochleistungsschlepper (z.B. für den Einsatz auf Flughäfen), der als Anhänge- oder Zuglast das Mehrfache seines Eigengewichtes aufweisen kann, ergeben sich durch die Erfindung besondere Vorteile. Zum einen ist eine leistungsfähige und große Traktionsbatterie möglich, die dennoch seitlich in horizontaler Richutng gewechselt werden kann. Zugleich ergeben sich gerade bei einem Hochleistungsschlepper durch das Auflaufen des angehängten Zuggewichts besondere Biegebelastungen an den Eckkanten des Batteriefachs. Die Eckkanten des Batteriefachs sind die Stelle, an der die Rahmenstruktur in Längsrichtung betrachtet übergeht auf ihren schmälsten Bereich, den Torsionslängskasten. Durch den Einsatz des Flächenelements wird die Materialbelastung durch Kerbwirkung in den Ecken verringert und die Gefahr einer vorzeitigen Materialermüdung vermindert.
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Es können aufgrund der höheren Steifigkeit der Rahmenstruktur auch kostengünstige übliche Türkonstruktionen ohne Tragfunktion verwendet werden, ohne dass es zu einem Klemmen der Schlösser oder Scharniere kommen kann. Die Rahmenstruktur zeigt eine hohe Festigkeit auch bei Stoß- und Zugbelastung in Längsrichtung, wie sie bei einem Schlepper auftreten, der ein mehrfaches als sein Eigengewicht als Anhängelast zieht und bei dem insbesondere beim Abbremsen es zu einer starken Biegebelastung des Bereiches um das Batteriefach kommt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 die Rahmenstruktur eines Schleppers in der Draufsicht und in der Seitenansicht gemäß Linie A-A der Draufsicht,
- 2 die Rahmenstruktur der 1 mit eingesetzten Radialblechen,
- 3 die Rahmenstruktur der 1 in einer Perspektivansicht mit Traktionsbatterie,
- 4 Teilelemente der Rahmenstruktur um das Batteriefach,
- 5 Teilelemente der 4 mit eingesetzten Radialblechen und
- 6 Teilelemente der 4 mit einer Variante der eingesetzten Radialbleche.
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In 1 ist in der oberen Darstellung schematisch die Rahmenstruktur 1 eines Schleppers mit einem Batteriefach 2 in Draufsicht dargestellt. Das Batteriefach 2 weist ein Bodenblech 7 auf, das bis auf einen umlaufenden Rand 8 ausgeschnitten und nach unten offen ist, so dass eine nicht dargestellte Traktionsbatterie mit geeigneten Hebemitteln angehoben und durch die seitliche Öffnung 12 für den Wechsel in horizontaler Richtung entnommen werden kann. Die inneren Eckkanten 9 zwischen einem Torsionslängskasten 10 und zwei Torsionsquerkästen 11, die die Wände des Batteriefachs 2 bilden, sind ausgerundet.
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In der unteren Darstellung der 1 ist die Rahmenstruktur 1 des Schleppers 4 mit dem Batteriefach 2 und einer Vorderachse 5 sowie einer Hinterachse 6, zwischen denen das Batteriefach 2 angeordnet ist, in der Seitenansicht (Schnitt A-A der Draufsicht) gezeigt.
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Die 2 zeigt die Rahmenstruktur 1 aus 1 mit als Radialblechen ausgebildeten Flächenelementen 13 in der Draufsicht. Die Radialbleche 13 sind in Richtung der durch die Kastenlängsachsen des Torsionslängskastens 10 und der Torsionsquerkästen 11 gebildeten Winkelhalbierenden ausgerichtet und mit allen Innenflächen des Torsionslängskastens 10 und des entsprechenden Torsionsquerkastens 11 verbunden.
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In der 2 verläuft das links dargestellte Flächenelement 13 von der inneren Ecke in die äußere Ecke des Verbindungsbereichs des Torsionslängskastens 10 und des entsprechenden Torsionsquerkastens 11.
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In der 2 verläuft das rechts dargestellte Flächenelement 13 von der inneren Ecke leicht versetzt zur äußeren Ecke des Verbindungsbereichs des Torsionslängskastens 10 und des entsprechenden Torsionsquerkastens 11. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Flächenelement 13 mit dem äußeren Bereich von der äußeren Ecke des Verbindungsbereichs des Torsionslängskastens 10 und des entsprechenden Torsionsquerkastens 11 in Richtung zum Torsionslängskasten 11 versetzt.
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In 3 ist die Rahmenstruktur 1 der 1 in einer Perspektivansicht mit Traktionsbatterie 14 gezeigt, die wie durch die Pfeile angedeutet, aus dem Batteriefach 2 in vertikaler Richtung nach oben oder in horizontaler Richtung zur Seite entnommen werden kann. Die Traktionsbatterie 14 steht dabei auf dem als umlaufenden Rand 8 ausgebildeten Bodenblech 7 des Batteriefachs 2 auf. Vor und hinter dem Batteriefach 2 sind die Torsionsquerkästen 11 angeordnet und neben dem Batteriefach 2 ist der Torsionslängskasten 10 angeordnet, der die zentrale, tragende Struktur der Rahmenstruktur 1 im Bereich des Batteriefachs 2 bildet.
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Die 4 zeigt Teilelemente der Rahmenstruktur 1 um das Batteriefach 2 mit dem Torsionslängskasten 10 und den Torsionsquerkästen 11. Dabei umschließen die Torsionsquerkästen 11 und der Torsionslängskasten 10 das Batteriefach 2 von drei Seiten.
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In 5 sind die Teilelemente aus 4 mit eingesetzten, als Radialbleche ausgebildeten Flächenelementen 13 im Verbindungsgebereich zwischen Torsionslängskasten 10 und Torsionsquerkasten 11 dargestellt.
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6 zeigt eine Variante der Teilelemente aus 4, bei der die Flächenelemente 13 so eingesetzt sind, dass sie im Falle des rechts gezeigten Flächenelements 13 nicht bis an alle Ecken des Verbindungsbereichs des Torsionslängskastens 10 und des Torsionsquerkastens 11 heranreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015119758 A1 [0011]
- DE 102015119759 A1 [0011]
