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Die Erfindung betrifft einen Schutzverbund für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Generell werden zu schützende Bauteile so ausgelegt beziehungsweise konzipiert, dass diese im Falle eines Ereignisses, beispielsweise einer Ansprengung, eines Beschusses oder dergleichen nur gering oder möglichst gar nicht belastet und verformt werden. Hierzu ist ein entsprechender Abstand und Zwischenraum zwischen einem ersten Wandbereich eines ersten Bauteils und einem zweiten Wandbereich eines zweiten Bauteils, welches das zu schützende Bauteil ist, erforderlich. Unter Berücksichtigung der im Kraftwagenbau von Sonderschutzfahrzeugen auftretenden Toleranzen sowie der im Falle eines Ereignisses gegebenenfalls erfolgenden dynamischen Durchwölbungen müssen das erste Bauteil und das zweite, zu schützende Bauteil, in einem erheblichen Abstand zueinander angeordnet sein. Hierdurch wird relativ viel Bauraum bei einem derartigen Schutzverbund für Sonderschutzfahrzeuge benötigt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schutzverbund der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich ein besonders wirksamer und zuverlässiger Schutz jeweiliger, zu schützender Bauteile realisieren lässt und welcher darüber hinaus einen verhältnismäßig geringen Bauraum benötigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäße durch einem Schutzverbund mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit günstigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Schutzverbund für einen Kraftwagen umfasst einen ersten Wandbereich eines ersten Bauteils und einen zweiten Wandbereich eines zweiten Bauteils, welche unter Ausbildung eines Zwischenraums voneinander beabstandet sind. Zur Schaffung eines besonders sicheren und zuverlässigen Schutzverbunds, welcher über dies äußerst wenig Bauraum beansprucht, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Wandbereich des ersten Bauteils und dem zweiten Wandbereich des zweiten Bauteils ein Zwei-Phasen-Material angeordnet beziehungsweise der Zwischenraum mit einem derartigen Material gefüllt ist. Ein derartigen Zwei-Phasen-Material hat die Merkmale eines nicht-newtonschen Fluids beziehungsweise ist als derartiges nicht-newtonsches Fluid ausgebildet, welches sich dadurch auszeichnet, dass es bei langsamen Relativbewegungen der Bauteile beziehungsweise bei Nicht-Beaufschlagung durch ein Ereignis wie beispielsweise einen Beschuss, eine Ansprengung oder dergleichen flüssig ist, und welches bei einer schlagartigen Bewegung der Bauteile beziehungsweise einer schlagartigen Krafteinwirkung im Falle eines Ereignisses wie beispielsweise eines Beschusses, einer Druckwelle, einer Ansprengung oder dergleichen schlagartiger Krafteinwirkung sich verfestigt. Durch diese Verfestigung des Zwei-Phasen-Materials bei einer schlagartigen Krafteinwirkung, wie dies beispielsweise bei einem Ereignis wie einer Ansprengung und einer entsprechenden Druckwelle oder dergleichen der Fall ist, kann somit die Kraft der Druckwelle großflächig auf das hinter dem ersten Bauteil liegende zweite Bauteil übertragen werden, wobei das der Ansprengung oder dergleichen zugewandte erste Bauteil unter Vermittlung des im Zwischenraum angeordneten Zwei-Phasen-Materials an dem dahinter liegenden zweiten Bauteil abgestützt ist. Ein weiterer Vorteil ist es, dass durch den Einsatz des Zwei-Phasen-Materials zwischen den beiden Bauteilen, dem ersten und dem zweiten Bauteil, ein Schutzverbund geschaffen werden kann, bei welchem die beiden Bauteile deutlich geringer beabstandet sein müssen als bisherige Bauteile, welche aufgrund von Toleranzen und anderen Gegebenheiten wie dem Durchbiegen des der Ansprengung zugewandten ersten Bauteils erheblich voneinander beabstandet sein müssen und demzufolge erheblichen Bauraum in Anspruch nehmen. Insgesamt ist somit erkennbar, dass durch die Füllung des Zwischenraums zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil mit dem Zwei-Phasen-Material einerseits eine besonders günstige, lastverteilende Wirkung im Falle einer schlagartigen Kraftbeaufschlagung des Schutzverbunds erreicht wird, und dass andererseits der Schutzverbund dennoch mit relativ geringem Bauraum auskommt. Als Alternative wäre auch eine Zwei-Phasen-Material in Form eines schaltbares rheologischen Fluids denkbar, dessen Fließverhalten beziehungsweise Festigkeit durch Anlegen eines Magnetfeldes beziehungsweise von elektrischem Strom veränderbar beziehungsweise schaltbar ist.
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Erfindungsgemäß ist das zweite Bauteil ein zu schützendes Bauteil. Dies bedeutet, dass der Zwischenraum zwischen dem unmittelbar zu schützenden Bauteil, welches auch als Schutzbauteil bezeichnet wird, und einem diesem vorgelagerten ersten Bauteil angeordnet und mit dem Zwei-Phasen-Material gefüllt ist. Hierdurch lässt sich unter anderem ein besonders platzsparender Schutzverbund erreichen.
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Erfindungsgemäß bildet das zu schützende zweite Bauteil mit einem dritten Wandbereich eines dritten Bauteils, insbesondere eines Karosseriebauteil des Kraftwagens, einen weiteren Zwischenraum aus, welcher durch ein Zwei-Phasen-Material der eingangs genannten Art gefüllt ist. Hierdurch kann sich das zweite Bauteil in besonders günstiger Weise unter Vermittlung des Zwei-Phasen-Materials und mit großer Lastverteilung am dritten Wandbereich des dritten Bauteils abstützen.
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Erfindungsgemäß ist das zu schützende zweite Bauteil einem Energiespeicher, insbesondere einem Tank, zugeordnet. Somit kann insgesamt ein Schutzverbund für einen Tank oder dergleichen Energiespeicher geschaffen werden, welcher einerseits hochwirksam ist und gleichzeitig wenig Bauraum beansprucht.
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Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft gezeigt, wenn der Energiespeicher in einem Mitteltunnel einer Bodengruppe des Kraftwagens angeordnet ist, wobei der dritte Wandbereich, welcher mit dem zu schützenden zweiten Bauteil den weiteren Zwischenraum ausbildet, durch ein Mitteltunnelbauteil der Karosserie des Kraftwagens gebildet ist. Somit kann der Energiespeicher, insbesondere der Tank, besonders platzsparend und dennoch besonders gut abgestützt in die Karosserie de Kraftwagens integriert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind in dem Zwischenraum außerdem ein Füllmaterial, insbesondere ein Fasermaterial und/oder ein Gewebe, angeordnet. Durch ein derartiges Fasermaterial beziehungsweise Gewebe lässt sich eine noch bessere Lastverteilung erreichen. Außerdem kann das Fasermaterial oder Gewebe gegebenenfalls selbst Kräfte aufnehmen und verteilen, wenn es sich beispielsweise um Aramid- oder Carbonfasern handelt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Energiespeicher ein Tank ist. Somit kann insgesamt ein Schutzverbund für einen Tank geschaffen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das zu schützende zweiten Bauteil von dem dritten Bauteil oder einem weiteren Bauteil außenseitig im Wesentlichen vollständig umgeben ist unter Ausbildung des weiteren Zwischenraums, welcher mit dem Zwei-Phasen-Material gefüllt ist, welches das zu schützende Bauteil außenseitig im Wesentlichen vollständig umgibt. Durch eine derartige außenumfangsseitige Anordnung des Zwei-Phasen-Materials ergibt sich ein besonders günstiger, beidseitiger Schutz des Tanks oder dergleichen Energiespeichers.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Schutzverbund in einem Abstand zu dem zu schützenden Bauteil angeordnet ist. Mit anderen Worten kann der Schutzverbund auch durch zwei Bauteile mit einem im dazwischen liegenden Zwischenraum angeordneten Zwei-Phasen-Material eingesetzt werden, welches von dem eigentlich zu schützenden Bauteil in einem Abstand angeordnet ist. Demzufolge kann der Schutzverbund beispielsweise durch Sandwichplatten oder dergleichen gebildet sein, welche an beliebigen Stellen im Kraftwagen zum Einsatz kommen können, um im Abstand dahinter liegend angeordnete Bauteile im Falle eines Ereignisses wie eine Beschusses, einer Sprengung oder dergleichen zu schützen.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Zwei-Phasen-Material als nicht-newtonsches Fluid oder als schaltbares rheologisches Fluid ausgebildet ist. Ein nicht-newtonsches Fluid ermöglicht eine besonders einfache Anwendung, da dieses aus seinen Materialeigenschaften heraus bei langsamen Relativbewegungen der Bauteile flüssig ist und bei einer schlagartigen Bewegung der Bauteile beziehungsweise einer schlagartigen Krafteinwirkung im Falle eines Ereignisses wie beispielsweise eines Beschusses, einer Druckwelle, einer Ansprengung oder dergleichen sich verfestigt. Ein rheologisches Fluid hat die Eigenschaft, durch Anlegen eines Magnetfeldes beziehungsweise von elektrischem Strom sich zu verfestigen und daher schaltbar zu sein. Hierdurch können die Eigenschaften des Fluids durch entsprechende Schaltung dieses Zwei-Phasen-Materials äußerst gezielt eingestellt werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Gegenüberstellung eines Schutzverbunds gemäß dem Stand der Technik und eines erfindungsgemäßen Schutzverbund anhand jeweiliger Schnittdarstellungen;
- 2a, 2b jeweilige schematische Schnittansichten durch den erfindungsgemäßen Schutzverbund mit jeweiligen Wandbereichen zweier Bauteile, welche unter Ausbildung eines Zwischenraums voneinander beabstandet sind, in welchem ein Zwei-Phasen-Material angeordnet ist, wobei bei der Variante gemäß 2b außerdem ein Fasermaterial und/oder Gewebe innerhalb der Zwischenraums angeordnet ist; und
- 3a, 3b jeweilige ausschnittsweise Schnittansichten einer Bodengruppe einer Karosserie eines Personenkraftwagens mit einem im Bereich eines Mitteltunnel angeordneten Energiespeichers in Form eines Wasserstofftanks, welcher einerseits nach unten hin durch einen erfindungsgemäßen Schutzverbund geschützt ist und andererseits gemäß 3a einen weiteren Schutzverbund zur Abstützung an einem Mitteltunnelbauteil der Karosserie des Kraftwagens aufweist und in 3b einen außenumfangsseitig um den Tank umlaufenden Schutzverbund aufweist.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in jeweiligen schematischen Darstellungen eine Gegenüberstellung eines in den linken Abbildungen gezeigten Schutzverbunds gemäß dem Stand der Technik und eines in den rechten Abbildungen gezeigten Schutzverbunds gemäß der Erfindung dargestellt.
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Zunächst ist in der oberen linken Darstellung bei dem in Schnittansicht gezeigten Schutzverbund gemäß dem Stand der Technik erkennbar, dass ein erster Wandbereich 1 eines ersten Bauteils 2 in einem Abstand a zu einem zweiten Wandbereich 3 eines zweiten Bauteils 4 unter Ausbildung eines Zwischenraums 5 angeordnet ist. Im vorliegenden Fall kann beispielsweise das zweite Bauteil 4 ein zu schützendes Bauteil, welches auch als Schutzbauteil bezeichnet wird, ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise ein Energiespeicher wie ein Tank oder ein anderes Bauteil innerhalb des Kraftwagens sein.
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In 2 ist mit gestrichelten Linien 6, 7 der erste Wandbereich 1 beziehungsweise der zweite Wandbereich 3 dargestellt. In Folge von fertigungstechnischen Toleranzen, welche mit den strichpunktierten Linien 8, 9 dargestellt sind, reduziert sich der Abstand a der Wandbereiche 1, 3 auf den Abstand b, wenn es zu ungünstigen Toleranzkombinationen kommt. Daher muss der Abstand b - wie dies in 1 links unten dargestellt ist - so gewählt werden, dass bei einem Ereignis, beispielsweise einer Ansprengung 10 der Wandbereich 1 bei maximaler Toleranz und maximaler Belastung soweit deformiert werden kann, dass ein Sicherheitsspalt c zwischen dem toleranzbehafteten ersten Wandbereich 1 und dem toleranzbehafteten zweiten Wandbereich 3 (strichpunktierte Linien 8 beziehungsweise 9) verbleibt. Hierdurch ergibt sich ein zu wählender Sicherheitsabstand t1 zwischen den toleranzbehafteten Wandbereichen 1 und 3, welcher jeweils rechts der in 1, links dargestellten Darstellung des Schutzverbunds gemäß des Stands der Technik vorzusehen ist, um Zuverlässig sicherzustellen, dass das zu schützende Bauteil 4 unbeschädigt bleibt.
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Demgegenüber ist in jeweiligen schematischen Schnittansichten rechts in 1 der erfindungsgemäße Schutzverbund gezeigt. Der erfindungsgemäße Schutzverbund umfasst einen ersten Wandbereich 11 eines ersten Bauteils 12, einen zweiten Wandbereich 13 eines zweiten Bauteils 14, welches gegebenenfalls das zu schützende Bauteil beziehungsweise das Schutzbauteil sein kann, wobei die beiden Wandbereiche 11, 12 beispielsweise in einem Abstand d unter Ausbildung eines Zwischenraums 15 zueinander angeordnet beziehungsweise voneinander beabstandet sind. Im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik gemäß den linken Darstellungen in 1 ist beim Schutzverbund gemäß der rechten Darstellung in 1 in diesem Zwischenraum 15 ein Zwei-Phasen-Material angeordnet beziehungsweise der Zwischenraum 15 ist mit einem derartigen Zwei-Phasen-Material gefüllt. Ein derartiges Zwei-Phasen-Material hat die Merkmale eines nicht-newtonschen Fluids beziehungsweise ist ein derartiges nicht-newtonsches Fluid, welches sich dadurch auszeichnet, dass es bei einer langsamen Relativbewegung der beiden Bauteile 12, 14 zueinander flüssig ist und bei einer schlagartigen Bewegung der Bauteile 12, 14 beziehungsweise einer schlagartigen Krafteinwirkung, wie dies beispielsweise bei einer Ansprengung 16 oder eines anderen Ereignisses, beispielsweise auch eines Beschusses, der Fall ist, sich schlagartig verfestigt und verhärtet.
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Wie in der mittleren rechten Darstellung mit gestrichelten Linien 17, 18 beziehungsweise mit stichpunktierten Linien 19, 20 angedeutet ist, kompensiert dieses Zwei-Phasen-Material in flüssigem Zustand, in welchem dieses ohne Kraftbeaufschlagung vorliegt, die Fertigungstoleranzen der Bauteile und ermöglicht eine langsame Relativbewegung zwischen den Bauteilen.
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Kommt es gemäß der rechten unteren Darstellung zu einer entsprechenden ereignisbedingten Verformung des ersten Wandbereichs 11 des ersten Bauteils 12, beispielsweise in Folge einer Druckwelle einer Ansprengung, so verfestigt sich das Zwei-Phasen-Material in Folge seiner Eigenschaften bei einer schlagartigen Krafteinwirkung und bildet mit den beiden Bauteilen 12, 14 einen kraftschlüssigen Verbund aus, analog dem Stützkern einer Sandwichplatte. Infolgedessen kann ein Sicherheitsabstand e eingehalten werden, auch wenn die beiden Wandbereiche 11, 13 der Bauteile 12, 14 in einem deutlich geringeren Verbund t2 angeordnet sind, als im Stand der Technik (Verbund t1). Anhand der Gegenüberstellung der beiden oberen Darstellungen in Fig. ist dabei beispielsweise ein Dickenunterschied Δt des Verbunds erkennbar.
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Insgesamt kann somit durch die Anordnung des Zwei-Phasen-Materials zwischen den Wandbereichen 11 und 13 ein deutlich schmalerer Verbund t2 erreicht werden als derjenige gemäß dem Stand der Technik (Verbund t1), bei welchem zwischen den Bauteilen 2 und 4 ein Luftspalt 5 vorgesehen ist. Das Zwei-Phasen-Material ermöglicht demzufolge die Einsparung von Bauraum und gleichzeitig hat es eine hohe lastverteilende Wirkung, insbesondere des ersten Bauteils 12 auf das zweite Bauteil 14, sodass die jeweiligen Wandbereiche 11 und 13 deren Bauteile 12 und 14 auch dünner gestaltet werden können beziehungsweise dass deren Abstand (Verbund t2) geringer gewählt werden kann.
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In den 2a und 2b sind in jeweiligen schematischen Schnittansichten ein Schutzverbund gemäß 1 nochmals in zwei Varianten dargestellt. Bei der ersten Variante gemäß 2a ist das Zwei-Phasen-Material alleinige innerhalb des Zwischenraums 15 angeordnet. Die Eigenschaften dieses Zwei-Phasen-Materials können dabei beispielsweise durch Zugabe von Zusatzstoffen wie Ölen oder Additiven gesteuert werden, je nach Materialdicke, Geometrie und Anwendungsfall des Schutzverbunds.
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In der Ausführungsform gemäß 2b ist im Zwischenraum zwischen den beiden Wandbereichen 11 und 13 der Bauteile 12 und 14 außerdem ein Fasermaterial 19 und/oder ein Gewebe 20 angeordnet. Als Fasermaterial 19 beziehungsweise Gewebe 20 sind beispielsweise entsprechende Gegenstände aus Aramidfasern oder Carbonfasern oder dergleichen denkbar. Derartige Fasermaterialien 19 beziehungsweise Gewebe 20 wirken ebenfalls lastverteilend oder können punktuelle Belastungen beispielsweise bei einem Beschuss aufnehmen. Dabei können das Fasermaterial 19 beziehungsweise das Gewebe 20 mit dem unbelastet flüssigen Zwei-Phasen-Material getränkt oder dergleichen versehen sein.
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In 3a und 3b ist jeweils in einer ausschnittsweisen Schnittansicht entlang einer in Fahrzeughochrichtung beziehungsweise in Fahrzeugquerrichtung verlaufenden Schnittebene eine Bodengruppe 21 einer Kraftwagenkarosserie dargestellt. Erkennbar ist dabei ein Seitenschweller 22, von welchem ausgehend sich ein Fahrzeugboden 23 bis auf die andere Fahrzeugseite zu einem nicht weiter erkennbaren Seitenschweller auf der andern Fahrzeugseite erstreckt. Der Fahrzeugboden ist dabei in üblicher Weise durch jeweilige Längsträger 24 ausgesteift und weist in einem zentralen Bereich einen in Fahrzeuglängsrichtung und horizontal verlaufenden Mitteltunnel 25 auf. Der Mitteltunnel 25 wird in üblicher Weise durch ein Mitteltunnelbauteil 26 gebildet, welches im Wesentlichen umgekehrt U-förmig ausgebildet ist und oberseitig jeweilige, aussteifende Längsträger 27 aufweist. Nach unten hin ist der Mitteltunnel 25 durch ein Schließbauteil 28 verschlossen, welches zwischen jeweils außenseitig des Mitteltunnels 25 verlaufenden Längsträgern 24 angeordnet ist. In dem durch das Mitteltunnelbauteil 26 und das Schließbauteil 28 gebildeten Raum ist vorliegend ein Energiespeicher in Form eines Tanks, insbesondere eines Wasserstofftanks 31 angeordnet.
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In einem unteren Bereich des Tanks 31 ist ein Schutzverbund angeordnet, wie dieser in Zusammenhang mit den 1 bis 2b beschrieben worden ist. Demzufolge bildet vorliegend das Schließbauteil 28 das erste Bauteil 12 mit dem ersten Wandbereich 11, und der Tank 31 das zweite Bauteil 14 mit dem zweiten Wandbereich 13, in deren Zwischenraum 15 das Zwei-Phasen-Material 33 angeordnet ist.
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Demzufolge bildet bei der Ausführungsform gemäß 3a der Wasserstofftank 31 das zu schützende Bauteil 14, welches im Fall eines Ereignisses, beispielsweise eines Beschusses oder einer Ansprengung, geschützt werden muss. Durch die Anordnung des entsprechenden Schutzverbunds wird dabei von unten her ein entsprechender Schutz vor einer Beschädigung erreicht. Der Schutzverbund erstreckt sich dabei im Querschnitt im Wesentlichen ringsektorförmig unterseitig des Tanks 31.
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Auf der dem unteren Schutzverbund gegenüberliegenden Seite ist ein weiterer Schutzverbund vorgesehen: Dieser wird durch den Wandbereich 13 des Tanks 31 sowie das Mitteltunnelbauteil 26 der Karosserie des Kraftwagens gebildet. Zwischen diesen beiden Bauteilen 26, 31 ist wiederum ein Zwischenraum 15 vorgesehen, innerhalb welchem ein Zwei-Phasen-Material 33 angeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist der Schutzverbund hierbei ebenfalls ringsektorförmig beziehungsweise halbringförmig an der Oberseite des Tanks 31 gestaltet.
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Kommt es hierbei zu einer Detonation oder dergleichen Ereignis unterhalb der Bodengruppe 21 des Fahrzeugs, so können auf den Tank 31 wirkende Kräfte unter Vermittlung des Zwei-Phasen-Materials 33 an das Mitteltunnelbauteil 26 übertragen werden. Somit ergibt sich sowohl außenumfangsseitig als auch über die gesamte Länge des Tanks 31 eine besonders günstige Abstützung zur Kraftwagenkarosserie hin.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3b ist der Tank 31 als das zu schützende Bauteil 14 von einem weiteren Bauteil 34 außenumfangsseitig vollständig umgeben, und zwar unter Ausbildung eines weiteren Zwischenraums 35, welcher ebenfalls mit einem Zwei-Phasen-Material gefüllt ist, welches das zu schützende Bauteil - den Tank 31 - außenumfangsseitig zumindest im Wesentlichen vollständig und somit im Querschnitt ringförmig umgibt. Dieser ringförmige Schutzverbund bildet aus dem Bauteil 34, dem Tank 31 und dem Zwischenraum 35, welcher durch das Zwei-Phasen-Material 33 gefüllt ist, wiederum eine allseitig besonders günstige Abstützung des Tanks 31 im Falle eines Ereignisses wie einer Ansprengung oder dergleichen.
