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Die Erfindung betrifft eine Zusatzstruktur für eine Knautschzone einer Karosserie eines Personenkraftwagens.
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Bei einem geraden, schrägen oder versetzten Frontalaufprall werden unfallbedingt eingeleitete Kräfte zu einem Teil durch die Deformation einer vorderen Knautschzone absorbiert. Bei Kraftwagen mit im Frontbereich angeordneten Verbrennungsmotoren ist der an sich steife und nicht-deformierbare Verbrennungsmotor selbst Teil eines Kraftpfads zur Aufnahme der unfallbedingten Kräfte. Dabei stützt sich der Verbrennungsmotor bei einer derartigen unfallbedingten Kraftbeaufschlagung insbesondere an der Stirnwand ab, über welche die Kräfte schließlich in den Tunnelbereich, den Unterboden und seitliche Trägerelemente der Fahrgastzelle eingeleitet werden, so dass die Fahrgastzelle selbst vor übermäßigen Intrusionen bzw. Verformungen geschützt wird.
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Bei Personenkraftwagen mit elektrischem Antrieb entfällt jedoch diese Kraftweiterleitungsfunktion des Motors. Elektrische Motoren sind zunächst in der Regel wesentlich kleiner und leichter als Verbrennungskraftmaschinen, so dass sie diese Stützfunktion nicht übernehmen können. Des Weiteren sind elektrische Antriebe üblicherweise nicht im Bereich der Fahrzeugfront angeordnet, wie eine konventionelle Verbrennungskraftmaschine, sondern liegen als Heckmotoren, Achsmotoren oder Nabenmotoren außerhalb der Kraftpfade beim Frontalaufprall. Soll daher eine Kraftwagenbaureihe sowohl mit konventionellen als auch mit elektrisch angetriebenen Varianten angeboten werden, so ist für die elektrisch angetriebenen Varianten eine aufwendige Umkonstruktion der Karosserie notwendig.
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Der Bauraum, der in konventionellen Kraftwagen vom Verbrennungsmotor eingenommen wird, dient bei elektrisch angetriebenen Kraftwagen oftmals der Aufnahme von Batteriepaketen. Aus der
DE 10 2007 023 391 A1 ist eine Karosseriestruktur für einen Kraftwagen bekannt, bei welchem zwischen zwei Längsträgern der Kraftwagenkarosserie ein Schutzgehäuse für ein solches Batteriepaket ausgebildet ist. Das Schutzgehäuse ist aus Längs- und Querwänden aufgebaut, die biegesteif ausgestaltet und beispielsweise aus Strangpressprofilen aufgebaut sind. Das Schutzgehäuse stellt zusätzliche Kraftpfade zur Verfügung, die unfallbedingt eingebrachte Kräfte am Batteriepaket vorbeileiten und dieses vor Beschädigungen schützen. Im Kontext der Gesamtkarosserie entfaltet dieses Schutzgehäuse jedoch im Falle einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung im Wesentlichen keine stabilisierende Funktion, die den ansonsten über den Verbrennungsmotor verlaufenden Kraftpfad ersetzen könnte. Um die notwendige Crashstabilität einer Fahrgastzelle eines solchen Kraftwagens zu gewährleisten, sind daher ebenfalls aufwendige Änderungen an der Karosserie notwendig.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Zusatzstruktur der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die Verwendung von für konventionelle Antriebe ausgelegten Karosserien mit anderen, insbesondere elektrischen Antrieben erlaubt und dabei die notwendige Crashsicherheit für die Fahrzeuginsassen gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zusatzstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
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Eine erfindungsgemäße Zusatzstruktur für eine Knautschzone einer Karosserie eines Personenkraftwagens kann in einem von Strukturelementen der Karosserie des Personenkraftwagens begrenzten Aufnahmeraum angeordnet werden und umfasst wenigstens ein Strukturelement, das bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung der Zusatzstruktur an einem korrespondierenden Strukturelement einer Fahrgastzelle des Personenkraftwagens abstützbar ist. Eine derartige Zusatzstruktur kann also einen zusätzlichen Lastpfad zur Verfügung stellen, welcher den Lastpfad, der in einem konventionellen Kraftwagen durch die Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt wird, zu ersetzen vermag. Mit Hilfe einer solchen Zusatzstruktur ist es somit möglich, innerhalb einer Kraftwagenbaureihe sowohl elektrische als auch konventionell angetriebene Varianten zu fertigen, ohne aufwendige Karosserieumbauten oder -änderungen zu benötigen. In der elektrischen Variante wird der Verbrennungsmotor der konventionellen Variante durch die Zusatzstruktur ersetzt, so dass die gleiche Crashsicherheit gewährleistet bleibt wie in der konventionellen Variante.
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Ein weiterer Vorteil der Zusatzstruktur besteht darin, dass diese in ihrem Deformationsverhalten gezielt abgestimmt werden kann. Während der Verbrennungsmotor somit im Wesentlichen einen verformungssteifen Bereich der Knautschzone bildet, kann die Zusatzstruktur zumindest bereichsweise gezielt nachgiebig und Energie absorbierend ausgebildet werden, um somit das Unfallverhalten der Karosserie bei einer Frontalkollision des Kraftwagens gezielt einzustellen.
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Vorzugsweise weist eine solche Zusatzstruktur eine erste Trägerebene auf, welche an einem Stirnwandquerträger der Fahrgastzelle abstützbar ist. Bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung ist der Lastpfad durch eine solche Zusatzstruktur mit dem üblicherweise von einer Verbrennungskraftmaschine bereitgestellten Lastpfad vergleichbar. Bei einem geraden, schrägen oder versetzten Frontalaufprall werden Kräfte, die nicht von der Knautschzone des Kraftwagens absorbiert werden, also über diese Zusatzstruktur auf den Stirnwandquerträger der Fahrgastzelle übertragen und können von dort durch die üblichen Karosseriestrukturen um die Fahrgastzelle herumgeleitet werden, so dass übermäßige Krafteinwirkungen auf die Fahrzeuginsassen, Deformationen der Fahrgastzelle oder die Intrusion von Teilen des Vorbaus in die Fahrgastzelle vermieden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erste Trägerebene einen Deformationsbereich und einen in Fahrzeuglängsrichtung hinter diesem angeordneten deformationssteifen Bereich auf. Der Deformationsbereich kann unfallbedingt eingebrachte Energie durch Verformung dissipieren und stellt daher neben der normalen Knautschzone des Kraftwagens zusätzliche Crashlänge zur Verfügung. Durch den deformationssteifen Bereich ist eine kontrollierte Krafteinleitung in die weiteren Strukturelemente der Karosserie, insbesondere in den Stirnwandquerträger, möglich. Der deformationssteife Bereich kann gleichzeitig einen zusätzlichen Sicherheitsbereich für empfindliche und/oder gefährliche Komponenten des Kraftwagens, wie beispielsweise Batterien, zur Verfügung stellen.
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Zwischen dem Deformationsbereich und dem deformationssteifen Bereich der ersten Trägerebene ist vorzugsweise ein Querträger angeordnet. Dieser stützt den deformierbaren Bereich über dessen gesamte Breite stabil am deformationssteifen Bereich ab, so dass der gewünschte, kontrollierte Krafteintrag über den deformationssteifen Bereich in den Stirnwandquerträger auch bei versetzten oder schrägen Unfallereignissen gewährleistet ist.
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Der deformationssteife Bereich weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Längsträgerelementen sowie zwei den Bereich seitlich begrenzende vertikale Stützelemente auf, welche gemeinsam einen Aufnahmeraum für einen Batteriekasten ausbilden. Ein solcher deformationssteifer Bereich der ersten Trägerebene ist besonders stabil und bietet daher einen besonders guten Schutz für den Batteriekasten. Dieser muss im Falle eines Unfalls aufgrund der hohen, in den Batterien gespeicherten Energiemenge gut geschützt werden. Beschädigungen der Batterien sind zu vermeiden, da durch die plötzliche, schlagartige Entladung der Batterie die Gefahr des Funkenschlags und der Entflammung besteht.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Zusatzstruktur eine weitere Trägerebene auf, welche an wenigstens einem Längsträger einer Unterbodenstruktur der Rohbaukarosserie abstützbar ist. Damit wird eine Kraftweiterleitung bei unfallbedingter Kraftbeaufschlagung über die im Wesentlichen gesamte Höhe des Kraftwagenvorbaus ermöglicht.
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Vorzugsweise ist diese weitere Trägerebene über eine Einschuhung an dem wenigstens einen Längsträger der Unterbodenstruktur abstützbar. Eine derartige Einschuhung übernimmt eine Prellbockfunktion, so dass unfallbedingt eingeleitete Kräfte besonders gut und großformatig auf den wenigstens einen Längsträger übertragen werden können.
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Die weitere Trägerebene umfasst vorzugsweise wenigstens einen Diagonalträger, welcher an einem Achsanbindungsbereich der Karosserie abstützbar ist. Ein solcher Diagonalträger stellt im Falle von versetzten oder schrägen Frontaufprallereignissen einen besonders guten Kraftpfad bereit. Eine derart ausgebildete Zusatzstruktur leitet im Falle eines geraden Frontalaufpralls mit im Wesentlichen vollständiger Überdeckung die eingeleiteten Kräfte vorwiegend über die erste Trägerebene und im Falle eines versetzten oder schrägen Frontalaufpralls oder eines frontalen Pfahlaufpralls die eingeleiteten Kräfte im Wesentlichen über die untere Trägerebene weiter.
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Vorzugweise erstrecken sich dabei die beiden Trägerebenen in Fahrzeuglängsrichtung bis auf die gleiche Höhe nach vorne. Hierdurch ergibt sich ein besonders gleichmäßiges Ansprechverhalten beider Trägerebenen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Personenkraftwagen mit einer derartigen Zusatzstruktur. Diese ist vorzugsweise in einer vor der Stirnwand des Personenkraftwagens ausgebildeten Knautschzone angeordnet, wobei sich in einer bevorzugten Ausführungsform in Fahrzeuglängsrichtung vor der Zusatzstruktur ein Frontmodul des Personenkraftwagens befindet. Dies ist insbesondere bei elektrischen Fahrzeugen vorteilhaft, bei denen der üblicherweise bei konventionellen Fahrzeugen vorhandene Lastpfad in der Fahrzeugfront über den Verbrennungsmotor hinweg auf die Stirnwand entfällt. Dieser Kraftpfad wird hier durch die Zusatzstruktur zur Verfügung gestellt, so dass ein solcher Personenkraftwagen abgesehen von der Zusatzstruktur im Wesentlichen den gleichen Karosserieaufbau aufweisen kann wie ein entsprechender Kraftwagen mit einem konventionellen in der Fahrzeugfront angeordneten Verbrennungsmotor. Dadurch wird eine besonders kostengünstige Bauart geschaffen, in welcher dieselbe Grundstruktur der Karosserie zum Aufbau von konventionellen und elektrischen Fahrzeugen genutzt werden kann.
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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 allein 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:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zusatzstruktur;
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2 die Zusatzstruktur gemäß 1 mit montiertem Batteriekasten;
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3 eine perspektivische Darstellung einer Zusatzstruktur gemäß 1 in ihrer Einbaulage in einer Fahrzeugkarosserie; und
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4 die Fahrzeugkarosserie mit einer Zusatzstruktur gemäß 1 von der Fahrzeugunterseite her betrachtet.
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Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Zusatzstruktur für eine Knautschzone einer Karosserie 14 eines Personenkraftwagens, wie in 1 abgebildet, dient dazu, einen Kraftpfad bereitzustellen, der elektrischen Fahrzeugen den üblicherweise vorhandenen Kraftpfad über die Verbrennungskraftmaschine im Frontbereich ersetzen soll. Hierdurch wird ermöglicht, Fahrzeuge der gleichen Baureihe sowohl in einer konventionell angetriebenen als auch in einer elektrischen Variante bereitzustellen, ohne dass die Crashsicherheit leidet oder aufwendige Umgestaltungen der Karosserie 14 selbst notwendig werden. Wie 3 zu entnehmen ist, ist die Zusatzstruktur 10 zwischen den Längs- bzw. Motorträgern 12 der Karosserie 14 angeordnet und erstreckt sich von einer Stirnwand 16 der Karosserie 14 nach vorne.
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Die Zusatzstruktur 10 weist zwei Trägerebenen 18, 20 auf, die in Fahrzeughochrichtung übereinander angeordnet sind. Die obere Trägerebene 18 ist an einem als Stirnwandjoch ausgebildeten Stirnwandquerträger 22 der Karosserie 14 abgestützt und erstreckt sich von diesem weg in Fahrzeuglängsrichtung nach vorne. Den vorderen Abschluss der oberen Trägerebene 18 bildet ein Biegeträger 24, der über eine Mehrzahl von Deformationselementen 26 mit einem weiteren Querträger 28 verbunden ist. Der Biegeträger 24 bildet zusammen mit dem Deformationselementen 26 eine Deformationszone 30 aus, die sich bei unfallbedingter Kraftbeaufschlagung verformen und so unfallbedingt eingebrachte Energie dissipieren kann.
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Zwischen der Deformationszone 30 und dem Stirnwandjoch 22 ist eine deformationssteife Zone ausgebildet, die durch eine Mehrzahl von Längsträgerelementen 32 gebildet wird. An den jeweils seitlich äußersten Längsträgerelementen 32 ist jeweils ein vertikal verlaufender Träger 34 vorgesehen, der sich in Fahrzeughochrichtung nach oben erstreckt. Die beiden Träger 34 sind über eine Querstrebe 36 verbunden. Über ein Stützblech 38 sind die Längsträger 32 schließlich am Stirnwandjoch 22 angebunden.
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Die deformationssteife Zone 40 der oberen Trägerebene 18 dient zur Aufnahme eines Batteriekastens 42, wie in 2 gezeigt. Der Batteriekasten 42 ist an den vertikal verlaufenden Trägern 34 befestigt und wird zusätzlich durch seitliche Halter 44 an den jeweils äußersten Längsträgern 32 gehalten. Der deformationsstabile Bereich 40 bildet also eine Art Sicherheitszelle für den Batteriekasten 42 aus, so dass unfallbedingte Beschädigungen der im Batteriekasten 42 aufgenommenen Batterien vermieden werden. Um eine Verformung des Batteriekastens 42 zu verhindern, ist dieser zudem durch umlaufende Gurte 46 verstärkt. Ein weiterer Batteriekasten 48 ist in Fahrzeughochrichtung unterhalb der oberen Trägerebene 18 angeordnet und wird ebenfalls durch die deformierbare Zone 30 sowie durch die deformationsstabile Zone 40 der oberen Trägerebene 18 geschützt.
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Vom Querträger 28 erstrecken sich seitlich Anschlussbleche 50 weg, über die die obere Trägerebene 18 an den Motorträgern 12 der Karosserie 14 angebunden ist.
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Die untere Trägerebene 20 beginnt in Richtung der Fahrzeugfront mit einem Querträger 52, der sich in etwa auf gleicher Höhe bezüglich der Fahrzeuglängsrichtung befindet wie der Biegeträger 24 der oberen Trägerebene 18. Zwei diagonal verlaufende Träger 54 verbinden den Querträger 52 mit einer Strebe 56, die ebenfalls in Fahrzeugquerrichtung verläuft, zu einer trapezförmigen Struktur. Ausgehend von der Querstrebe 56 erstrecken sich Diagonalstreben 58 schräg nach hinten bis zu seitlichen Längsträgern 61 der Karosserie 14. Weitere Streben 60 bilden mit einer dritten Querstrebe 62 eine weitere trapezförmige Struktur, die mit einem Achsanbindungsbereich 64 der Karosserie 14 verbunden ist. Über kurze, im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Streben 66 ist diese zweite trapezförmige Struktur schließlich an Längsträgern 68 des Unterbodenbereichs 70 der Karosserie 14 angebunden. Die Anbindung erfolgt dabei über eine Einschuhung 72, die als Prellbock wirkt und Längskräfte besonders gut übertragen werden kann. Die Streben 58 und 66 sind durch kurze, in Fahrzeugquerrichtung verlaufende Stützen 74 miteinander verknüpft.
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Die untere Trägerebene 20 wirkt insbesondere bei schrägen oder versetzten Frontalaufprallereignissen und leitet Kräfte, die dort unfallbedingt auftreten in den Unterbodenbereich 70 ab. Die Trägerebenen 18 und 20 umschließen den vorderen Bereich des sich bis in den Tunnel der Karosserie 14 erstreckenden Batteriekastens 48 und schützen diesen vor Beschädigung. Weiterer Schutz für den Batteriekasten 48 wird durch eine Rahmenstruktur 76 gewährleistet, die nicht Bestandteil der Zusatzstruktur 10 ist und die sich bis in den Tunnel erstreckt.
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Wie den Darstellungen der Ersatzstruktur 10 im Kontext der Gesamtkarosserie 14 in 3 und 4 zu entnehmen, bietet die Zusatzstruktur 10 sowohl eine Versteifungsfunktion durch den deformationssteifen Bereich 40 der oberen Trägerebene 18 sowie durch die untere Trägerebene 20, als auch eine zusätzliche Energieabsorptionsfunktion durch den Deformationsbereich 30 der oberen Trägerebene 18, der die Wirkung der Deformationselemente 78, die die Motorträger 12 mit dem Biegequerträger 80 der Karosserie verbinden, ergänzt. Die Zusatzstruktur 10 gewährleistet somit einen besonders guten Schutz sowohl für die Batterien in den Batteriekästen 42, 48, als auch für die Insassen der Fahrgastzelle der Karosserie 14.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zusatzstruktur
- 12
- Motorträger
- 14
- Karosserie
- 16
- Stirnwand
- 18, 20
- Trägerebenen
- 22
- Stirnwandjoch
- 24
- Biegeträger
- 26
- Deformationselemente
- 28
- Querträger
- 30
- Deformationszone
- 32
- Längsträgerelementen
- 34
- vertikal verlaufender Träger
- 36
- Querstrebe
- 38
- Stützblech
- 40
- deformationssteife Zone
- 42
- Batteriekasten
- 44
- Seitliche Halter
- 46
- Gurte
- 48
- Batteriekasten
- 50
- Anschlussbleche
- 52
- Querträger
- 54
- diagonal verlaufende Träger
- 56
- Querstrebe
- 58
- Diagonalstreben
- 60
- Streben
- 61
- seitliche Längsträger
- 62
- Querstrebe
- 64
- Achsanbindungsbereich
- 66
- Streben
- 68
- Längsträger
- 70
- Unterbodenbereich
- 72
- Einschuhung
- 74
- Stützen
- 76
- Rahmenstruktur
- 78
- Deformationselemente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007023391 A1 [0004]
