-
Die vorliegende Erfindung betrifft Gehäuse für Fahrzeuganwendungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Gehäuse für Hybrid- und Elektrofahrzeuge in Sandwichbauweise mit einem Metallschaumkern zur Aufnahme von Komponenten.
-
Stand der Technik
-
Für spezielle Komponenten, insbesondere Elektronikkomponenten, mag es im Fahrzeugbau bzw. in der Fahrzeugtechnik gefordert sein, diese besonders geschützt in einem Fahrzeug anzuordnen. Beispielsweise mag dieser Schutz durch ein Gehäuse erfolgen, welches im Falle eines Unfalls, eines sogenannten Crashszenarios, seine Integrität weitgehend beibehält. Hierbei wird eine geforderte Abschirmung zwischen Komponente einerseits, welche in einem Gehäuse angeordnet ist, und dem möglicherweise durch den Unfall beeinträchtigten Fahrzeugrest bereitstellt. Ein entsprechendes Gehäuse mag somit eine mechanische und/oder elektrische Entkopplung von Fahrzeug und Komponente darstellen.
-
Herkömmliche Gehäuse für Fahrzeugkomponenten, beispielsweise Power Control Units (PCU), welche auch Leistungselektronik wie beispielsweise Inverter oder weitere Leistungselektronikkomponenten aufweist, oder aber Gehäuse von elektrischen Maschinen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden meist mittels gängiger Gießverfahren hergestellt. Beispielsweise mag in diesem Anwendungsbereich bekannter Aluminiumguss als Gehäusematerial verwendet werden. Weitere Arten von Komponenten sind beispielsweise energiespeichernde Komponenten, z. B. Akkumulatoren, energieerzeugende Komponenten wie z. B. Brennstoffzellenstacks oder energiewandelnde Komponenten, z. B. Elektromotoren.
-
Herstellungsbedingt ergeben sich jedoch bestimmte Duktilitäten der Werkstoffe, die eher zu einem spröden Verhalten neigen. Insofern mag beispielsweise in einem Crashszenario ein derartiges Gehäuse seine Integrität nicht behalten, sondern beispielsweise aufbrechen und die Komponente freilegen, somit einen Zugriff von außen ermöglichen.
-
Weiter herstellungsbedingt bzw. werkstoffbedingt mag sich auch ergeben, dass Befestigungselemente und dergleichen, welche am Gehäuse anzubringen sind, kaum oder schwer anschweißbar sind, da gegossene Bauteile gewisse Porositäten aufweisen und somit die Anbringung bzw. das Anschweißen von weiteren Elementen erschweren.
-
Es mag somit als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung gesehen werden, die Freiheitsgrade bezüglich des Einbauortes im Fahrzeug zu erhöhen, während gleichzeitig die Crashsicherheit einer Komponente bzw. ihres Gehäuses erhöht wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Demgemäß wird ein Gehäuse für eine Komponente eines Fahrzeuges mit einem Sandwichaufbau gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 angezeigt. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Das erfindungsgemäße Gehäuse stellt einerseits eine erhöhte Crashsicherheit einer Komponente bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung des Gehäuses, andererseits die Möglichkeit einer vereinfachten Anbringung von Fixierungselementen und somit der Erhöhung der Einbaufreiheitsgrade in einem Fahrzeug bereit.
-
Das erfindungsgemäße Gehäuse weist hierzu Gehäuseelemente auf, welche in einem Sandwichaufbau gefertigt sind. Hierbei wird zwischen zwei Begrenzungselementen, beispielsweise Metallblechelemente, ein Metallschaumelement bzw. Metallschaumkernelement, beispielsweise aus Aluminiumschaum, eingebracht. Die einzelnen Gehäuseelemente bestehen somit, zumindest in ihrem inneren Bereich, abgesehen von einem Randbereich bzw. Endbereich zur Verbindung mit weiteren Gehäuseelementen oder zur Befestigung, aus drei Schichten.
-
Das erfindungsgemäße Gehäuse mag somit in einer Schalenbauweise aufgebaut sein. Diese Schalenbauweise mag dabei dünne Metallelemente als Begrenzungselemente aufweisen. Diese Begrenzungselemente mögen beispielsweise aus Aluminiumblech in einer Knetlegierung ausgeführt sein. Zwischen den Begrenzungselementen mag ein Hohlraum vorgesehen sein, welcher mit einem Metallschaum, beispielsweise Aluminiumschaum, befüllt ist. Die Verwendung eines derartigen Metallschaums, insbesondere Aluminiumschaums, mag in einer Gewichtsreduzierung von bis zu 30% resultieren bei gleichzeitig erhöhter Dämpfungseigenschaft in einem Crashszenario von beispielsweise bis zu 70%.
-
Ein erfindungsgemäßes Gehäuse in Sandwichtechnologie mag beispielsweise für eine elektronische Steuereinheit und/oder eine elektrische Maschine, einen Akkumulator und/oder einen Brennstoffzellenstack eines Hybrid- und/oder Elektrofahrzeugs verwendet werden.
-
Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Gehäuses mag beispielsweise bei einem Crashszenario verhindert werden, dass Personen, Fahrzeuginsassen oder auch dem verunglückten Fahrzeug zu Hilfe eilende externe Personen, aufgrund von hohen Strömen, welche sich in einem ungeschützten Fall über die leitende Karosserie verbreiten mögen, lebensgefährlich geschädigt werden. Im Falle von Brennstoffzellenstacks mag weiterhin erzielt werden, dass der „innere Kern” der Stacks mit seinen Wasserstoff führenden Elementen unbeschädigt bzw. zumindest abgekoppelt bleibt.
-
Um im Falle eines Crashszenarios zu verhindern, dass bei Deformation des Gehäuses spannungsführende Teile einer Elektronikkomponente berührendem und somit leitendem Kontakt zum Gehäuse herstellen, somit um eine entsprechende Stromleitung zu verhindern, mögen Gehäuseelemente auf zumindest einem Begrenzungselement ein Isolierelement bzw. eine Isolierschicht aufweisen. Die Isolierschicht mag mit einer herkömmlichen Beschichtungstechnologie aus dem Fahrzeugbau auf das Begrenzungselement aufgebracht werden.
-
Ein entsprechendes Isolierelement bzw. eine entsprechende Isolierschicht mag beispielsweise eine Eloxierung des Begrenzungselements darstellen, oder aber es mag eine nicht leitende Oxydschicht aufgetragen werden bzw. bei der Herstellung aufgetreten sein. Auch mag mittels einer adäquaten Tauchtechnik eine zweckmäßige Kunststoffschicht aufgetragen werden. Beispielsweise mag im Fall einer Aluminiumknetlegierung eine Folienbeschichtung der Legierung verwendet werden, welche eine Kunststoffschicht aufweist, die wiederum eine elektrische Leitung verhindern mag.
-
Um auch im Falle, dass ein im Gehäuse angeordnetes Isolierelement durch scharfkantige Elemente bzw. Teile der Elektronikkomponente beschädigt wird und in diesem Fall doch eine elektrische Leitung zum Gehäuse stattfindet, mag es angezeigt erscheinen, gleichfalls die Außenhaut bzw. die Außenseite des Gehäuses bzw. des jeweiligen aussenliegenden Begrenzungselementes mit einer nicht leitenden Schicht bzw. einem Isolierelement zu versehen. Eine solche außen liegende Isolierschicht mag zusätzlich als Korrosionsschutz dienen. Gleichfalls ist denkbar jedes Begrenzungselement beidseitig mit einem Isolierelement zu versehen.
-
Ein erfindungsgemäßes Sandwichgehäuseelement mag verschieden hergestellt werden. Eine Möglichkeit der Herstellung ist eine Vorformung der einzelnen Komponenten des Gehäuseelementes, somit des ersten Begrenzungselementes, des zweiten Begrenzungselementes sowie des Metallschaumelementes. Nachfolgend werden diese drei Komponenten passend zueinander angeordnet gemäß dem später gewünschten Gehäuseelement und in einem Endbereich des ersten und des zweiten Begrenzungselementes, in welchem diese direkt aufeinander aufliegen, verschweißt bzw. vernietet. Hierzu mögen bekannte Schweißverfahren wie Rollschweißung sowie Strahlschweißung verwendet werden. Es ergibt sich somit ein Gehäuseelement, welches zwischen den beiden Begrenzungselementen im Wesentlichen vollständig das Metallschaumelement aufweist. Auch eine großflächige Verbindung über sie sich berührenden Kontaktflächen ist denkbar.
-
Weiterhin mag das Metallschaumelement in situ hergestellt werden, somit zwischen den beiden Begrenzungselementen, welche bereits in Endposition zueinander ausgerichtet und ggf. bereits miteinander verbunden sind. Hierzu wird der Ausgangsstoff des Metallschaumelementes beispielsweise in Pulverform in geeigneter Menge und Anordnung zwischen die Begrenzungselemente bzw. in den zwischen den Begrenzungselementen vorgesehenen Zwischenraum eingebracht. Die Begrenzungselemente mögen nachfolgend miteinander verpresst bzw. verschweißt werden, wobei gleichzeitig eine Erhitzung des Gehäuseelementes erfolgen mag, durch welche Hitzeeinwirkung das pulverförmige Ausgangsmaterial zu Metallschaum reagiert.
-
Die beiden Begrenzungselemente, z. B. aluminiumplatten, mögen mit dem dazwischen liegenden Metallpulver in eine entsprechende Tiefziehpresse eingelegt und während des Tiefziehvorgangs mit einer entsprechenden Reaktionstemperatur beaufschlagt werden. Hierbei wird die endgültige Form der Gehäusehälfte und das Aufschäumen in einem Arbeitsschritt realisiert.
-
Wie zuvor dargestellt, mögen im Endbereich der Begrenzungselemente diese im Wesentlichen direkt miteinander in Kontakt stehen, insbesondere ohne dazwischen liegende Metallschaumelemente. In diesem Endbereich, insbesondere bei Verbindung von zwei Gehäuseelementen, mag im Weiteren ein Dichtelement vorgesehen sein, welches beispielsweise zwei Gehäuseelemente zueinander abdichten mag. In anderen Worten mag über das Dichtelement der im Wesentlichen vollständig geschlossene Innenraum, welcher sich durch Aufbringung von zumindest zwei Gehäuseelementen ausbilden mag, gegenüber der Außenseite des Gehäuses hermetisch dichten lassen.
-
Bei Verwendung bei Brennstoffzellenstacks werden die Gehäuseelemente idealerweise miteinander verschweißt, so dass ein Gasaustritt und damit verbundene „Knallgasbildung” vermieden werden kann.
-
Hierdurch mag beispielsweise eine im Gehäuse angeordnete Komponente vor äußeren Einflüssen geschützt sein. Auch mag ein Begrenzungselement verlängert über die weiteren Begrenzungselemente eines Gehäuseelementes bzw. einer Mehrzahl von aufeinander angebrachten Gehäuseelementen verlängert sein. Eine entsprechende Verlängerung mag nachfolgend umgebogen sein oder sogar auf die weiteren Endbereiche der Begrenzungselemente zurückgeführt werden, beispielsweise dort ebenfalls verschweißt werden, um hierdurch eine Abdichtung des Gehäuseinnenvolumens gegenüber dem Außenbereich weiter zu steigern.
-
Hierdurch lässt sich beispielsweise auf einfache Art und Weise ein Spritzschutz des Gehäuses realisieren. Auch mögen einzelne Gehäuseelemente miteinander vernietet sein. Entsprechende Nieten mögen zweckmäßigerweise außerhalb des Dichtelementes, gesehen vom Innenvolumen des Gehäuses, angeordnet sein.
-
Nicht näher dargestellt in den Figuren ist eine Durchkontaktierung, zum Beispiel einer leitende Verbindung der Komponente, angeordnet im Gehäuse zur Außenseite des Gehäuses. Dies mag über Stecker bzw. Steckkontakte erfolgen, welche an geeigneter Stelle in einem Gehäuseelement eingebracht wurden, oder aber es mag eine direkte Durchkontaktierung des Gehäuseelementes vorgesehen sein.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen
-
1 eine exemplarische Ausführungsform eines Gehäuses;
-
2a–e eine exemplarische Ausführungsform eines Gehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
3a–c Detailzeichnungen einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
4 eine exemplarische Ausführungsform des prinzipiellen Sandwichaufbaus eines Gehäuseelementes gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt eine exemplarische Ausführungsform eines Gehäuses.
-
Das Gehäuse 20 der 1 weist exemplarisch zwei Gehäuseelemente 1', 4' auf. Gehäuseelemente 1', 4' sind derart geformt und ausgebildet, einen Hohlraum zwischen den Gehäuseelementen 1', 4' auszubilden, in welchem Hohlraum eine Komponente 2 angeordnet ist.
-
Im Endbereich 9 der Gehäuseelemente 1', 4' ist Dichtelement 3 angeordnet, welches umlaufend zwischen den Gehäuseelementen 1', 4' angeordnet ist und hierdurch den ausgebildeten Innenraum gegenüber der Außenseite des Gehäuses 20 zu isolieren bzw. abzudichten vermag.
-
Schematisch eingezeichnet, jedoch nicht näher bezeichnet, sind Bohrungen an den Endbereichen 9 der Gehäuseelemente 1', 4', welche beispielsweise mit einer Nietverbindung oder Schraubverbindung feststehend zueinander fixiert werden mögen.
-
In 1 dargestellt ist eine Schnittdarstellung des Gehäuses 20. Es versteht sich, dass die umlaufenden Endbereiche 9 des Gehäuses 20 dieses vollständig umgeben, so dass sich eine im Wesentlichen luft- und/oder flüssigkeitsdichte Isolierung des Innenraums des Gehäuses 20 gegenüber dem Außenraum ergibt.
-
Mögliche Durchkontaktierungen durch zumindest ein Gehäuseelement zum Anschluss der Komponente 2 sind nicht näher dargestellt.
-
Weiter Bezug nehmend auf 2a–e wird eine exemplarische Ausführungsform eines Gehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
-
Der erfindungsgemäße Sandwichaufbau der einzelnen Gehäuseelemente ist aus 2a zu entnehmen.
-
Dargestellt in 2a ist ein erstes Gehäuseelement 1 sowie ein zweites Gehäuseelement 4, zwischen welchen Komponente 2 angeordnet ist. Die Gehäuseelemente 1, 4 weisen ebenfalls einen Randbereich 9 auf, in welchem die beiden Gehäuseelemente miteinander in Verbindung stehen und zueinander befestigbar sind.
-
Der erfindungsgemäße Sandwichaufbau eines Gehäuseelementes ist in 2b weiter detailliert dargestellt.
-
In 2b zu sehen ist ein erstes Begrenzungselement 6, ein zweites Begrenzungselement 7 und zwischen beiden Begrenzungselementen 6, 7 angeordnet Metallschaumelement 8. Im Randbereich 9 liegen beide Begrenzungselemente 6, 7 im Wesentlichen direkt aufeinander, insbesondere ohne zwischenliegendes Metallschaumelement 8.
-
Die Begrenzungselemente mögen hierbei beispielsweise als zwei Tiefziehteile mit ca. 1 mm Wanddicke ausgebildet und als Aluminiumknetlegierungslagen bereitgestellt sein. Metallschaum 8 mag insbesondere Aluminiumschaum sein, welcher ein bevorzugt geringes Gewicht sowie eine hohe Dämpfung, im Falle eines Crashszenarios aufweist. Die beiden Begrenzungselemente 6, 7 mögen beispielsweise miteinander verschweißt werden, zum Beispiel unter Verwendung des Rollnahtschweißverfahrens, wie in 2b dargestellt. Die beiden Begrenzungselemente 6, 7 sind mit Rollschweißnaht 5 miteinander verbunden.
-
Werden zwei Gehäuseelemente 1, 4 aufeinander aufgebracht, so findet sich im Endbereich 9 Dichtelement 3, welches den so gebildeten Innenraum des Gehäuses 20 gegenüber der Außenseite abzudichten vermag, wie in 2c dargestellt.
-
Die beiden Gehäuseelemente 1, 4 bzw. Gehäusehälften mögen im Weiteren miteinander verschweißt werden oder aber über eine Nietverbindung unter Verwendung von Nietelement 12, z. B. eine Bliendnietelement, miteinander verbunden werden. Anstelle von Blindnieten mögen auch Schraubnieten verwendet werden. Im Falle, dass die Gehäuseelemente initial vernietet wurden bzw. anderweitig fest miteinander verbunden worden sind, mögen im Reparaturfall Schraubnieten nachträglich als Ersatz verwendet werden.
-
Das Dichtelement 3 mag dispergierend aufgetragen werden oder aber aufgespritzt werden.
-
Durch die Verwendung von Aluminiumknetlegierungen als Grundwerkstoff können notwendige Zusatzelemente einfach mittels entsprechender Schweißverfahren oder Klebeverfahren eingebracht werden.
-
Als zusätzlicher Spritzschutz für Dichtelement 3, beispielsweise bei Einsatz eines Hochdruckstrahlers oder Dampfstrahlers, zum Beispiel für eine Motorraumreinigung eines Fahrzeugs, kann ein Begrenzungselement eines Gehäuseelementes verlängert und über die weiteren Begrenzungselemente hinweg gezogen bzw. erstreckt sein. Eine entsprechende Verlängerung 13 ist gleichfalls in 2c dargestellt. Im Wesentlichen stellt Verlängerung 13 ein umgebogenes Ende eines Begrenzungselementes dar.
-
Zur weiteren Erhöhung der Crashsicherheit kann, sofern es sich um ein wartungsfreies Element 2 im Inneren des Gehäuses 20 handelt, die Verlängerung 13 derart weitergebogen werden, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen den Gehäuseelementen 1, 4 hergestellt wird, insbesondere eine formschlüssige Verbindung eines Begrenzungselementes mit zumindest einem weiteren Begrenzungselement des weiteren Gehäuseelementes.
-
Diese formschlüssige Verbindung 14 ist in 2e dargestellt. Hierbei wird Begrenzungselement 6 des Gehäuseelements 1 derart weit umgebogen und gegen die Begrenzungselemente 6 und 7 des Gehäuseelements 4 gepresst, so dass die geforderte formschlüssige Verbindung 14 hergestellt wird. Das Anbringen einer Schweißnaht des verlängerten Endes des Begrenzungselementes mit den Begrenzungselementen 6 und 7 des Gehäuseelementes 4 mag gleichfalls denkbar sein.
-
Weiter Bezug nehmend auf 3a–c sind Detailzeichnungen einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
-
In 3a dargestellt ist ein exemplarischer Gehäusetopf einer elektrischen Maschine.
-
Im Falle eines Gehäusetopfs ist es somit nicht notwendig, das Gehäuse 20 gedichtet auszuführen. Gleichfalls kann jedoch ein Sandwichgehäuse gemäß den 3a–c dargestellt verwendet werden, um auch hier die Crashsicherheit bzw. Belastbarkeit des Gehäuses 20 zu erhöhen und gleichzeitig sein Gewicht zu verringern. Die Begrenzungselemente des Gehäuseelementes bilden hierbei jeweils eine im Wesentlichen zylinderförmige Struktur, angeordnet um die in 3a dargestellte Mittelachse 21.
-
Endbereiche 9 der Gehäuseelemente sind wiederum derart ausgebildet, im Wesentlichen direkt, ohne Metallschaumelement 8, aufeinander aufzuliegen. Je nach Art der Auflage und des Übergangs mögen adäquate Schweißverfahren verwendet werden. Beispielsweise mögen im offenen Bereich 22 die Begrenzungselemente mittels Strahlschweißverfahren 16 miteinander verbunden werden, im Lagerbereich 23 mittels Rollschweißung 5 und/oder zusätzlicher Strahlschweißung 16.
-
Im Falle, dass Schraubelemente zur Anbringung des Gehäusetopfs an die elektrische Maschine vorgesehen werden müssen, können diese in das Sandwichgehäuseelement eingepresst werden. Dies ist in 3a–c jedoch nicht dargestellt.
-
Die Strahlschweißung 16 im geöffneten Bereich 22 ist in 3b dargestellt. Hierbei ist exemplarisch Begrenzungselement 7 im Endbereich 9 gewinkelt ausgebildet und liegt mit seiner Stirnseite auf Begrenzungselement 6 auf. Außenseitig mag nun das Strahlschweißverfahren 16 zur Verbindung der beiden Begrenzungselemente 6 und 7 verwendet werden.
-
Im Lagerbereich 23, wie in 3c dargestellt, liegen die Begrenzungselemente 6, 7 großflächiger aufeinander, vergleichbar den 2a–e. Hier mag nun wieder eine Rollschweißung 5 erfolgen, gegebenenfalls ergänzt um oder ersetzt durch eine Strahlschweißnaht 16. Metallschaum 8 ist gleichfalls radial umlaufend, wie Begrenzungselemente 6 und 7, zwischen diesen angeordnet.
-
Weiter Bezug nehmend auf 4 ist eine exemplarische Ausführungsform des prinzipiellen Sandwichaufbaus eines Gehäuseelementes gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
-
4 zeigt exemplarisch einen Querschnitt durch ein Gehäuseelement 1, 4 im Bereich, in welchem das Gehäuseelement seinen vollständigen Sandwichaufbau aufweist, somit nicht in einem Endbereich 9.
-
Zu der Struktur wie zuvor beschrieben, bestehend aus Begrenzungselement 6, Metallschaumelement 8 sowie Begrenzungselement 7 ist weiterhin eine erste Isolierschicht 10 sowie eine zweite Isolierschicht 11, jeweils außen liegend auf den Begrenzungselementen 6, 7, insbesondere betrachtet vom Metallschaumelement 8 aus gesehen, auf den ersten und zweiten Begrenzungselementen 6, 7 aufgebracht.
-
Die Isolierschichten 10, 11 mögen beispielsweise als eine Kunststoffschicht ausgebildet sein, welche Beschichtung insbesondere nach dem Verprägen und Schäumen bzw. dem Herstellen des Sandwiches erfolgen mag. Gleichfalls denkbar sind Oxydschichten als erste und zweite Isolierschicht 10, 11 oder aber die Verwendung einer Eloxierung.
-
Im Endbereich 9 mag sich das Gehäuseelement mit im Wesentlichen vier Schichten 10, 6, 7, 11 ohne Metallschaumelement 8 darstellen.
-
Ein Gehäuseelement 1, 4 gemäß 4 mag in allen gezeigten Ausführungsbeispielen der 2a–e sowie 3a–c Verwendung finden.
