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Die Erfindung betrifft eine Gegenhaltevorrichtung und ein Verfahren zum Kontaktieren und Gegenhalten eines flächigen Bodenbauteils, insbesondere eines Wannenbodens einer Batteriemodulwanne.
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Bei sogenannten E-Autos, wie sie derzeit am Markt angeboten werden, wird die Fahrzeugbatterie üblicherweise in einem Bodenbereich unterhalb des Fahrzeuginnenraums in einer Batteriewanne angeordnet. Die Batteriewanne kann in sich verschiedentlich unterteilt sein und hierbei insbesondere an die Aufnahme und Halterung der zum Einsatz kommenden Batteriemodule angepasst sein, die sich ihrerseits wiederum aus einzelnen Batteriezellen zusammensetzen. Die Batteriewanne ist als rechteckig und verhältnismäßig flach anzusehen. Die Kantenmaße können beispielsweise 1,5m mal 2m, bei einer Höhe von 15 bis 25 cm, betragen. Die Batteriewanne besteht im Wesentlichen aus einem Grundrahmen und einem Wannenboden. In den Wannenboden können in unterschiedlicher Weise Kühlkörper integriert sein.
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In der Batteriewanne und damit auf dem Wannenboden befindet sich eine Ausgleichs- und Wärmeleitpaste, in die bzw. auf die die Batteriemodule eingesetzt werden. Hierzu werden die Batteriemodule in die Ausgleichs- und Wärmeleitpaste mit einer bestimmten Einpresskraft FE eingepresst und in der dabei erreichten Stellung fixiert, beispielsweise verschraubt. Bei dem Einpressen der Batteriemodule in die Ausgleichs- und Wärmeleitpaste kommt es entscheidend darauf an, dass sich der Wannenboden nicht unter der Beaufschlagung durch die Einpresskraft FE durchbiegt, da sonst die erforderliche Kontaktkraft zwischen dem jeweiligen Batteriemodul und der Leitpaste nicht erreicht wird oder über den durchgebogenen Wannenboden ein ungünstiger Spannungszustand in die Batteriewanne eingebracht wird, der im späteren Betrieb möglicherweise zu einem Reißen oder Lösen der Leitpaste führt. Für den Vorgang des Einpressens der Batteriemodule in die Leitpaste gilt es also dafür zu sorgen, dass kein Durchbiegen des Wannenbodens durch die Einpresskraft FE stattfindet.
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Ferner ist der Wannenboden im Hinblick auf seine flächige Ausdehnung nicht absolut eben, sondern weist vielmehr insgesamt oder stellenweise Wölbungen abweichend von einer idealen Ebene auf. Die Wölbungen können, von einer idealen Ebene ausgehend, zu beiden Seiten ausgebildet sein. Die Wölbungen sind das Ergebnis des Fertigungs- und Montageprozesse und sind nur mit einem übergebührlichen Aufwand zu vermeiden. Die Maßabweichungen der Wölbungen von der idealen Ebene sind absolut gesehen gering, beispielsweise in einem Bereich von 0,5mm bis 1mm.
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Die Maßabweichungen des Wannenbodens werden regelmäßig unter dem Begriff Formabweichungen zusammengefasst.
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht den Wannenboden auf der von der Leitpaste abgewandten Seite beim Einpressen der Batteriemodule gegenzuhalten und hierbei gleichzeitig der fertigungs- und montagebedingten Wölbung Rechnung zu tragen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Gegenhaltevorrichtung zum Kontaktieren und Gegenhalten eines flächigen Bodenbauteils, insbesondere eines Wannenbodens einer Batteriemodulwanne, mit einem Grundkörper, einer Mehrzahl an dem Grundkörper gehaltene und über eine innere Federbeaufschlagung entlang einer Stützrichtung RS längenveränderliche Auflageelemente, wobei eine Arretierung vorgesehen ist, über die die Auflageelemente in jeweiligen Zwischenstellungen zwischen einer maximal eingefahrenen Position und einer maximal ausgefahrenen Position arretierbar sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Gegenhaltevorrichtung ist sowohl ein Ausgleich der Formabweichung des Wannenbodens als auch ein Abstützen der aufgebrachten Einpresskraft FE beim Einpressen der Batteriemodule in die Leitpaste möglich. Über die Gegenhaltevorrichtung wird die Unterseite des Wannenbodens, also die von der Leitpaste abgewandte Seite, in eine Anzahl von Einzelauflagepunkte unterteilt, wobei diese Anzahl der Mehrzahl an Auflageelementen entspricht. Durch die Einzelauflagepunkte ist sowohl sichergestellt, dass sich das jeweilige Auflageelement genau an die örtliche Formabweichung anpassen kann und dort den Wannenboden gegen die Einpresskraft FE abstützen kann. Durch die Mehrzahl an Auflageelement kann jedes dieser Elemente sich einzeln gegen die Unterseite des Wannenbodens adaptieren, so dass bei einer Beaufschlagung der Batteriemodule mit der Einpresskraft FE bereits unmittelbar eine Gegenkraft über die Auflageelemente entsteht und nicht zunächst ein eventuell bestehender Spalt zwischen Wannenboden und gegenkrafterzeugendem Element überwunden werden muss. Bevorzugt erfolgt eine Auslegung der Gesamtfedersteifigkeit der Mehrzahl an Auflageelementen im Hinblick auf die Gesamtmasse der Batteriewanne. Hierbei muss die Gesamtfedersteifigkeit der Mehrzahl an Auflageelementen mit dem zur Verfügung stehenden Federweg so abgestimmt werden, dass die resultierende Federkraft im Bereich der Gewichtskraft der Batteriewanne liegt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Arretierung orthogonal zu der Stützrichtung RS auf eine Stützstange des Auflageelements wirkt. Hierbei ist orthogonal nicht in einem streng geometrischen Sinne zu verstehen. Vielmehr sind in praktischer Hinsicht auch von 90° leicht abweichende Wirkrichtungen denkbar. Die Anordnung der im Wesentlichen orthogonalen Wirkrichtung der Arretierung auf die Stützstange des Auflageelements ermöglicht eine platzsparende Gesamtanordnung, da die Arretierung bzw. der Wirkmechanismus der Arretierung nicht in axialer Verlängerung der Stützstange ausgeführt ist, sondern im Wesentlichen seitlich zu dieser angeordnet ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Arretierung über eine Klemmung auf die Stützstange wirkt. Dies ist von Vorteil, da bei einer Klemmung eine stufenlose Arretierung der Stützstange bezogen auf die axiale Position möglich ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die innere Federbeaufschlagung die Stützstange in eine ausgefahrene Stellung beaufschlagt. Die Auflageelemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind hierdurch vorteilhaft ausgeführt, als dass sie sich selbstständig durch eine innere Federbeaufschlagung an den Wannenboden anlegen und hiernach lediglich arretiert werden müssen. Für das eigentliche Anlegen der Auflageelemente an den Wannenboden muss somit kein separater Antrieb vorgesehen werden, sondern jedes der mehreren Auflageelemente ist in der Lage, selbstständig ein eigenes axiales Ausfahren zu bewerkstelligen, bei das jeweilige Ausfahren durch die jeweilige Anlage an den Wannenboden begrenzt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Stützstange einen bezogen auf die Stützrichtung RS schwenkbaren Auflagekopf umfasst. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ausgehend von einer in Stützrichtung RS gerichtetem Nulllage ein Herausschwenken um beispielsweise 10° möglich ist, so dass sich hierüber eine virtuelle, trichterförmige Schwenkkontur um die Nulllage ergibt. Das Verschwenken ist insbesondere für eine gute Anlage des Auflageelements bzw. der Stützstange in Bereichen des Wannenbodens vorteilhaft, in denen der Wannenboden infolge von Formabweichung von einer ideal ebenen Fläche abweicht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Arretierung über eine pneumatische, hydraulische oder elektromechanische Betätigung zwischen einer arretierten und einer nicht arretierten Stellung stellbar ist. Hier ist es möglich die Betätigung modular aufzubauen und bei Bedarf schnell an andere Erfordernisse anzupassen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die pneumatische, hydraulische oder elektromechanische Betätigung mit den Arretierungen der mehreren Auflageelemente in einer Wirkverbindung steht, um die Arretierung synchron zwischen der arretierten und der nicht arretierten Stellung zu stellen. Hierdurch ergibt sich eine Vereinfachung hinsichtlich der Medienzuführung für die Betätigung, da für die Medienzuführung nur in einem Bereich der Gegenhaltevorrichtung Medienkupplungen vorgesehen werden müssen. Hierbei kann in konkreter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die pneumatische, hydraulische oder elektromechanische Betätigung mit jeder der Arretierungen der mehreren Auflageelemente über einen Betätigungsschieber mechanisch gekoppelt ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Arretierung einen durch Federkraft beaufschlagten Klemmkeilbolzen umfasst. Hierbei kann in konkreter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Klemmkeilbolzen eine Öffnung ausbildet und die Stützstange durch die Öffnung hindurchragend angeordnet ist.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Abstützen eines Wannenbodens einer Batteriewanne während des Einpressens mit einer Einpresskraft FE von Batteriemodulen in eine auf dem Wannenboden aufgebrachte Ausgleichs- und Wärmeleitpaste, bei dem
eine mehrere entlang einer Stützrichtung RS längenveränderliche Auflageelemente umfassende Gegenhaltevorrichtung bereitgestellt wird und über die mehreren Auflageelemente eine der Einpresskraft FE entgegengerichtet und betragsmäßig gleiche Abstützkraft FA auf den Wannenboden aufgebracht wird.
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Erfindungsgemäß wirkt die Abstützkraft FE von einer Unterseite auf den Wannenboden aufgebracht, da die Batteriemodule prinzipiell in der Batteriewanne aufgenommen sind und die Batteriemodule von oben mit der Einpresskaft FE beaufschlagt werden, also mittelbar gegen eine Oberseite des Wannenbodens gedrückt werden. Entscheidend ist, dass die Einpresskraft FE zwar flächig auf die Oberseite des Wannenbodens wirkt, es aber erfindungsgemäß ausreichend ist, wenn der Wannenboden an seiner Unterseite in einzelnen, voneinander beabstandeten Bereichen von den Auflageelementen unterstützt bzw. abgestützt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden vor Aufbringen der Einpresskraft FE auf das Batteriemodul jedes der Auflageelemente durch Längenveränderung eines Stützstabs des jeweiligen Auflageelements zur einseitigen Anlage gegen den Wannenboden gebracht. Es erfolgt also zunächst ein Anpassen der Unterseite des Wannenbodens und der mehreren Auflageelemente aneinander. Die Auflageelemente befinden sich dann in einer Anlageposition.
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Bevorzugt ist, dass im Anschluss an dieses Anpassen die mehreren Auflageelemente in der jeweiligen Anlageposition an dem Wannenboden arretiert werden. Hiernach sind die mehreren Auflageelemente in der Lage die Einpresskraft FE aufzunehmen und abzustützen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Auflageelemente über einen schwenkbaren Auflagekopf, welcher endseitig an einer Stützstange des Auflageelements angeordnet ist, an eine Normalenrichtung einer Kontaktfläche zwischen Auflageelement und Wannenboden angepasst.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Batteriemodulwanne und einer erfindungsgemäßen Gegenhaltevorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Batteriemodulwanne und einer erfindungsgemäßen Gegenhaltevorrichtung;
- 3 eine Detaillierung eines Auflageelements der Gegenhaltevorrichtung gemäß 1;
- 4 eine weitere Detaillierung eines Auflageelements der Gegenhaltevorrichtung gemäß 1;
- 5 eine Darstellung einer Gegenhaltevorrichtung mit einer Mehrzahl Auflageelemente.
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Die 1 zeigt eine rein schematische Darstellung einer Batteriemodulwanne 2 und einer erfindungsgemäßen Gegenhaltevorrichtung 10. Dargestellt ist eine Seitenansicht. Die Batteriemodulwanne 2 umfasst ein Bodenbauteil 4 und einen Grundrahmen 6. Die beiden Bauteile bilden grundsätzlich die Wanne 2, in der auf der Oberseite des Bodenbauteils 4, welcher im Weiteren auch als Wannenboden bezeichnet wird, eine Ausgleichs- und Wärmeleitpaste 8 aufgebracht ist. Auf der Leitpaste 8 ist ein aus mehreren Batteriezellen zusammengesetztes Batteriemodul 9 eingesetzt bzw. aufgesetzt. Das Batteriemodul 9 wird über einen Vorgang des Einpressens auf die Leitpaste 8 aufgesetzt, wodurch eine gute Verbindung zwischen Leitpaste 8 und Unterseite des Batteriemoduls 9 hergestellt werden soll. Das Einpressen erfolgt mittels einer Einpresskraft FE, mit der das Batteriemodul 9 von oben nach vertikal unten beaufschlagt wird. Die Einpresskraft FE ist mit dem Pfeil oberhalb des Batteriemoduls 9 symbolisiert. In den Wannenboden 4 sind regelmäßig noch Kühlkörper bzw. Kühlrippen integriert, die vorliegend keiner Darstellung bedürfen. Die Gegenhaltevorrichtung 10 ist von unten an das Batteriemodulwanne 2 bzw. an die Unterseite des Wannenbodens 4 herangesetzt, um die von vertikal oben aufgebrachte Einpresskraft FE abzustützen. Die vorliegend vertikale Richtung kann als Stützrichtung RS bezeichnet werden. Die Gegenhaltevorrichtung 10 umfassend einen Grundkörper 12 und eine Mehrzahl an dem Grundkörper 12 gehaltene und über eine innere Federbeaufschlagung 26 entlang der Stützrichtung RS längenveränderliche Auflageelemente 20, die im weiteren Verlauf noch detaillierter beschrieben werden. Ein Anlageelement 20 umfasst eine Stützstange 22 und einen Auflagekopf 24, der schwenkbar gegenüber der Stützstange 22 gehalten ist. Über die Auflageelemente 20 wird während des Einpressens die Einpresskraft FE abgestützt, wobei jedes der Auflageelemente 20 den der Gesamtanzahl der Auflageelemente entsprechenden Anteil der Einpresskraft FE abstützt.
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Während in der 1 der Wannenboden 4 als ideal eben dargestellt ist, ist in der 2 ein Wannenboden 4 mit einer in der Realität bestehenden Formabweichung dargestellt, die in der Regel in einer Wölbung nach oben oder nach unten besteht und die infolge von Fertigungs- und Montagetoleranzen mit einem vertretbaren Aufwand nicht zu vermeiden sind. Die 2 zeigt exemplarisch eine Wölbung nach unten. Die Auflageelemente 20 sind an diese Wölbung in zweierlei Hinsicht angepasst, nämlich indem zum einen die Auflageköpfe 24 durch ihre Möglichkeit zu verschwenken an den Verlauf des jeweiligen Kontaktbereichs angepasst haben und zum anderen sich in ihrer Länge angepasst haben, da infolge der Wölbung sich ein anderer vertikaler Abstand zwischen dem jeweiligen Kontaktbereich und dem Grundkörper 12 der Gegenhaltevorrichtung 10 eingestellt hat.
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Die 5 zeigt eine Detaillierung eines Auflageelements 20. Wenn man weiterhin von der bereits zuvor gewählten Orientierung ausgeht, gemäß der die Einpresskraft FE und die durch die jedes Auflageelement aufgebrachte Gegenkraft in vertikaler Richtung und entgegengesetzt gerichtet sind, dann umfasst ein Auflageelement 20 einen vertikalen Abschnitt und einen hierzu orthogonal angeordneten waagerechten Abschnitt. Beiden Abschnitten ist ein Gehäuse gemeinsam. Der vertikale Abschnitt beinhaltet die Stützstange 22, den hieran an einem oberen Ende gehaltenen Auflagekopf 24 und die Federbeaufschlagung 26. Die Federbeaufschlagung 26 umfasst beispielsweise eine Spiralfeder, die die Stützstange 22 umfänglich umgibt und die sich oben an einer Anlagescheibe 40 der Stützstange 22 und unten mittelbar an dem Gehäuse 28 abstützt. Zum Schutz kann die Feder von einer Hülse umgeben sein. Durch diese Anordnung wird die Stützstange 22 in eine vertikal ausgefahrene Stellung beaufschlagt.
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Der waagerechte Abschnitt des Auflageelements 20, der in der 4 in einen Schnitt dargestellt ist, beinhaltet im Wesentlichen die Arretierung 30, um mit dieser die Stützstange 20 in Zwischenstellungen zwischen einer maximal eingefahrenen Position und einer maximal ausgefahrenen Position zu arretieren. Die Arretierung 30 ist vorliegend als Klemmung 32 ausgeführt und umfasst einen Klemmkeilbolzen 38 mit einer Öffnung 42, durch die die Stützstange 22 hindurchragt. Die Arretierung 30 weist ferner ein sich an das Gehäuse 28 anschließendes weiteres Gehäuse 44 auf, in dem ein Federelement 46 aufgenommen ist. Das Federelement 46 stützt sich zur einen Seite hin innerhalb des Gehäuses ab und stützt sich zur anderen Seite an dem Klemmkeilbolzen 38 ab. Das Federelement 46 ist unter Vorspannung in dem Gehäuse 44 aufgenommen, so dass das Federelement 46 den Klemmkeilbolzen 46, durch dessen Öffnung 42 wiederum die Stützstange 22 hindurchragt, gegen die Stützstange 22 beaufschlagt. Die Stützstange 22 in Verbindung mit der Öffnung 42, durch die sie hindurchtritt, bildet somit den Anschlag für den unter Vorspannung gehaltenen Klemmkeilbolzen 46. Indem nun die Bewegungsrichtung der Stützstange 22, welche der bereits beschriebenen Stützrichtung RS entspricht, und die Wirkrichtung des federbeaufschlagten Klemmkeilbolzens 38 unter einem Winkel zueinander stehen, wobei der Winkel bevorzugt im Bereich von 90° oder bei 90° liegt, erfolgt eine Klemmung der Stützstange 22 innerhalb des Gehäuses 28 und an dem Klemmkeilbolzen 46, so dass die Bewegung der Stützstange 22 in Bewegungsrichtung gehemmt ist, zumindest bei normalerweise auf das Stützelemente 22 wirkenden Stützkräften FS.
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Die Klemmung über den Klemmkeilbolzen 46 kann verbessert werden, indem die Öffnung 42 entgegen der Wirkrichtung der Vorspannung durch das Federelement 46 keilförmig zusammenläuft. Dies führt zum einen zu einer sicheren Klemmung innerhalb des Klemmkeilbolzens 38, da die Stützstange 22 bereits innerhalb der Öffnung 42 geklemmt wird und der Kraftfluss von dem Klemmkeilbolzen 46 in das Gehäuse 28 geleitet wird. Außerdem ergibt sich durch die keilförmige Öffnung 42 eine vollständige Freistellung der Stützstange 22 innerhalb der Öffnung 42, wenn der Klemmkeilbolzen 38 entgegen der Federbeaufschlagung zurückgestellt wurde. Der Klemmkeilbolzen 38 ist über zwei Gleitlagerbuchsen 48 in dem Gehäuse 28 verschieblich gehalten.
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Die 4 zeigt eine weitere Detaillierung des Auflageelements 20 in einer Schnittdarstellung. Zu erkennen ist insbesondere die keilförmige Öffnung 42 des Klemmkeilbolzens 38, in der die Stützstange 22 einsitzt.
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Die 5 zeigt eine Mehrzahl an dem Grundkörper 12 der Gegenhaltevorrichtung 10 gehaltene Auflageelemente 20. Vorliegend sind acht Auflageelemente gezeigt, wobei es sich um einen modulartigen Aufbau handelt und die Anzahl der Auflageelemente 20 bedarfsweise angepasst werden können. Zu erkennen ist eine Betätigung 34, die prinzipiell pneumatisch, hydraulisch oder elektromechanisch ausgeführt sein kann und über die die Arretierung 30 zwischen einer arretierten und einer nicht arretierten Stellung stellbar ist. Bevorzugt umfasst die Betätigung 34 einen Stellzylinder, der mittelbar über einen Betätigungsschieber 36 auf die Klemmkeilbolzen 38 wirkt. Die Wirkrichtung des Betätigungsschiebers ist der Wirkrichtung der Vorspannung des Federelement 46 der Arretierung 30 entgegengerichtet, so dass bei nicht aktivierter Betätigung 34 die Arretierung 30 sich in ihrer Klemmposition befindet.
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Mit der erfindungsgemäßen Gegenhaltevorrichtung 10 ist es möglich ein Verfahren zum Abstützen eines Wannenbodens 4 einer Batteriewanne 2 während des Einpressens mit einer Einpresskraft FE von Batteriemodulen 9 in eine auf dem Wannenboden 4 aufgebrachte Ausgleichs- und Wärmeleitpaste 8 auszuführen. Hierbei wird die mehrere entlang einer Stützrichtung RS längenveränderliche Auflageelemente 20 umfassende Gegenhaltevorrichtung 10 bereitgestellt und über die mehreren Auflageelemente 20 eine der Einpresskraft FE entgegengerichtet und betragsmäßig gleiche Abstützkraft FA auf den Wannenboden 8 aufgebracht. Vor dem Aufbringen der Einpresskraft FE auf das Batteriemodul 9 wird jedes der Auflageelemente 20 durch Längenveränderung einer Stützstange 22 des jeweiligen Auflageelements 20 zur einseitigen Anlage gegen den Wannenboden 4 gebracht und in dieser Anlageposition arretiert.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Batteriemodulwanne
- 4
- Bodenbauteil
- 6
- Grundrahmen
- 8
- Ausgleichs- und Wärmeleitpaste
- 9
- Batteriemodul
- 10
- Gegenhaltevorrichtung
- 12
- Grundkörper
- 20
- Auflageelement
- 22
- Stützstange
- 24
- Auflagekopf
- 26
- Federbeaufschlagung
- 28
- Gehäuse
- 30
- Arretierung
- 32
- Klemmung
- 34
- Betätigung
- 36
- Betätigungsschieber
- 38
- Klemmkeilbolzen
- 40
- Anlagescheibe
- 42
- Öffnung
- 44
- Gehäuse
- 46
- Federelement
- 48
- Gleitlagerbuchse
