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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugstruktur, die mit einem Antriebsaggregats-Auslasssystem integriert ist.
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HINTERGRUND
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Typischerweise weist ein Fahrzeug eine Struktur zum Umschließen und Tragen verschiedener Fahrzeugsysteme und auch der Fahrzeuginsassen auf. Schwergewichtige Fahrzeuge, wie beispielsweise Kleintransporter und Lieferwagen, verwenden typischerweise einen Rahmen, um eine Karosserie und einen Antriebsstrang des Fahrzeugs zu tragen. Andererseits verwenden leichtgewichtige Fahrzeuge, wie beispielsweise der größte Teil der Personenkraftwagen, oft eine Monocoque- oder selbsttragende Konstruktion, die eine separate Karosserie und einen separaten Rahmen zugunsten einer leichteren, integrierten Struktur vermeidet. Zusätzlich verwenden einige leichtgewichtigere Fahrzeuge eine Kombinations-Monocoque-Struktur mit einem Unterrahmen zum Tragen des Antriebsstrangs des Fahrzeugs. Häufig werden zusätzliche Strukturelemente verwendet, um die Fahrzeugstruktur zu verstärken, und auch, um verschiedene Chassis- und Antriebsstrang-Untersysteme zu tragen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird ein Rahmen für ein Fahrzeug offenbart, das eine Fahrzeugkarosserie, eine Fahrzeugaufhängung und ein Antriebsaggregat aufweist, das ausgebildet ist, um ein Drehmoment und ein Abgasströmungs-Nebenprodukt zu erzeugen. Der Rahmen umfasst eine rohrförmige Rahmenstange in Fluidverbindung mit dem Antriebsaggregat, wobei die Stange durch einen vollständig geschlossenen Querschnitt definiert ist, der einen Fluiddurchgang bereitstellt. Die Rahmenstange ist ausgebildet, um die Fahrzeugkarosserie und die Fahrzeugaufhängung zu tragen. Der Fluiddurchgang ist ausgebildet, um die Abgasströmung durch die Rahmenstange und weg von der Fahrzeugkarosserie zu leiten. Es wird ebenso ein Fahrzeug offenbart, das einen solchen Rahmen verwendet.
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Die Rahmenstange kann zwei im Wesentlichen parallele Stangen umfassen, die um eine Distanz voneinander beabstandet sind.
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Der Fluiddurchgang kann eine Innenfläche in direktem Kontakt mit der Abgasströmung umfassen, wobei die Innenfläche eine Beschichtung aufweisen kann, die ausgebildet ist, um eine Korrosion der Rahmenstange zu minimieren.
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Die Beschichtung kann durch eine Galvanisierung oder durch einen Wärmebehandlungs-Galvanisierungsprozess erzeugt werden. Zusätzlich kann die Beschichtung entweder eine gummierte Verbindung oder eine Epoxidharzverbindung sein.
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Die Rahmenstange kann aus aluminisiertem Edelstahl gebildet sein.
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Der Querschnitt der Rahmenstange kann entweder eine im Wesentlichen parallelogrammartige ”Kasten”-Form oder eine im Wesentlichen runde Form aufweisen.
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Die Rahmenstange kann durch einen Extrusionsprozess oder durch einen Hydroformprozess gebildet werden.
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Es wird ebenso ein Fahrzeug offenbart, das einen solchen Rahmen verwendet.
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Das Antriebsaggregat kann eine Wasserstoff-Brennstoffzelle sein, während das Fahrzeug dann ebenso einen Wasserstoff-Kraftstofftank in Fluidverbindung mit der Brennstoffzelle aufweisen kann. In einem solchen Fall kann der Rahmen auch ausgebildet sein, um den Wasserstoff-Kraftstofftank zu tragen.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsform(en) und der besten Weise(n) zum Ausführen der beschriebenen Erfindung leicht offensichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung gebracht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Draufsicht einer Fahrzeugstruktur, die einen Rahmen, einen Antriebsstrang mit einem Antriebsaggregat, ein Getriebe, Kraftstofftanks und integrierte Fahrzeugrahmenstangen und -abgasdurchgänge umfasst.
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2 ist eine vergrößerte Ansicht des Antriebsaggregats, das durch die Rahmenstangen getragen wird und mit diesen verbunden ist, die ausgebildet sind, um ein Abgas des Antriebsaggregats weg von dem Fahrzeug, wie es in 1 gezeigt ist, zu leiten.
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3 ist eine Darstellung eines Querschnitts der Rahmenstangen, die in 1 und 2 gezeigt sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 10, das relativ zu einer Straßenoberfläche 12 angeordnet ist. Das Fahrzeug 10 weit eine Fahrzeugstruktur 14 auf, die eine Fahrzeugkarosserie 16 und einen Fahrzeugrahmen 18 umfasst. Das Fahrzeug 10 weist auch einen Antriebsstrang 20 auf, der ausgebildet ist, um das Fahrzeug anzutreiben. Der Rahmen 18 ist ausgebildet, um die Fahrzeugkarosserie 16 zu tragen, und auch, um eine Abgasströmung weg von der Karosserie zu leiten, wie es nachstehend unter Bezugnahme auf 3 im Detail dargelegt ist.
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Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst der Antriebsstrang 20 ein Antriebsaggregat 22, das ausgebildet ist, um ein Drehmoment zum Antreiben des Fahrzeugs 10 erzeugen, und eine Getriebebaugruppe 24. Als ein Nebenprodukt des erzeugten Drehmoments erzeugt das Antriebsaggregat 22 eine Abgasströmung 25. In 1 ist das Fahrzeug 10 als ein Fahrzeug vom Brennstoffzellentyp gezeigt, und das Antriebsaggregat 22 ist als eine Brennstoffzelle dargestellt. Alternativ kann das Fahrzeug 10 ein Benzin/Elektro-Hybrid sein (nicht gezeigt) und einen Antriebsstrang 20 verwenden, der einen oder mehrere Motoren/Generatoren in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine (IC-Maschine) umfasst. Darüber hinaus kann das Fahrzeug 10 ein herkömmlicher Typ sein (nicht gezeigt), der nur durch eine IC-Maschine angetrieben wird. Obwohl weder der Benzin/Elektro-Hybrid noch die herkömmlichen Fahrzeugtypen speziell gezeigt sind, sind solche Konfigurationen wohlbekannt und würden durch Fachleute leicht in Betracht gezogen werden.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 1 weist das Fahrzeug 10 auch mehrere Räder 26 und 28 auf. Wie es gezeigt ist, kann jedes der mehreren Räder 26, 28 einen aufblasbaren Reifen 30 aufweisen, der an diesem befestigt ist. Obwohl vier Räder 26, 28 mit Reifen 30 in 1 gezeigt sind, wird ein Fahrzeug mit einer geringeren oder größeren Anzahl von Rädern und Reifen ebenso in Betracht gezogen. In Abhängigkeit von der speziellen Konfiguration des Antriebsstrangs 20 kann das Drehmoment des Antriebsaggregats 22 über die Räder 26, die Räder 28 oder über alle Räder 26 und 28 auf die Straßenoberfläche 12 übertragen werden.
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Wie es in 1 gezeigt ist, verbindet ein Fahrzeugaufhängungssystem 32 den Rahmen 18 funktional mit den Rädern 26, 28, um einen Kontakt zwischen den Rädern und der Straßenoberfläche 12 aufrecht zu erhalten und um die Bedienung des Fahrzeugs 10 aufrecht zu erhalten. Wie es gezeigt ist, kann das Aufhängungssystem 32 mehrere untere Querlenker 34 und obere Querlenker 36 umfassen, wobei ein oberer und ein unterer Querlenker mit einem der Räder 26, 28 verbunden sind. Obwohl eine spezielle Konfiguration des Aufhängungssystems 32 in 1 gezeigt ist, werden andere Fahrzeugaufhängungskonstruktionen auf ähnliche Weise in Betracht gezogen. Das Aufhängungssystem 32 umfasst auch Federn 38 und Dämpfer 40. Jede Feder 38 und jeder Dämpfer 40 ist ausgebildet, um eine Auslenkung des entsprechenden Rades 26, 28 zu steuern, wenn das Fahrzeug 10 die Straßenoberfläche 12 überquert und ein anschließendes Ausfedern des betreffenden Rades erfährt.
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Wie es gezeigt ist, kann der Rahmen 18 von der Karosserie 16 getrennt sein, wie dies typischerweise bei schwergewichtigeren Arbeitsfahrzeugen verwendet wird, wie beispielsweise bei Kleintransportern und Lieferwagen, oder er kann Teil einer selbsttragenden Struktur sein, wie dies typischerweise bei leichtgewichtigeren Fahrzeugen verwendet wird. In dem Fall einer separaten Fahrzeugkarosserie 16 und eines separaten Rahmens 18 trägt der Rahmen zusätzlich die Karosserie, während in dem Fall einer selbstragenden Struktur der Rahmen und die Karosserie jeweils einen Teil der strukturellen Last tragen. Sowohl in dem Fall des separaten Rahmens als auch in dem selbsttragenden Fall ist der Rahmen 18 ausgebildet, um einer beträchtlichen Spannung Stand zu halten, ohne eine strukturelle Beschädigung zu erfahren, während er den Fahrzeugantriebsstrang 20 trägt, dessen Schwingung absorbiert und dem Drehmoment Stand hält, das durch die Maschine 18 während des Antriebs erzeugt wird. Sowohl in dem Fall mit separatem Rahmen als auch in dem selbsttragenden Fall ist der Rahmen 18 zusätzlich ausgebildet, um die Last von Fahrzeuginsassen und Fracht sowie beliebige zusätzliche Lasten zu tragen, die durch das Aufhängungssystem 32 übertragen werden. Der Rahmen 18 kann an der Karosserie 16 durch ein beliebiges bekanntes Mittel befestigt sein, wie beispielsweise durch Schweißen oder mittels geeigneter Befestigungselemente.
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In dem speziellen Fall, in dem das Antriebsaggregat 22 eine Brennstoffzelle ist, wie es in 1 und 2 gezeigt ist, weist das Fahrzeug 10 auch einen oder mehrere Wasserstoff-Kraftstofftanks 42 auf. Der Wasserstoff-Kraftstofftank 42 steht mit dem Antriebsaggregat 22 in Fluidverbindung und ist ausgebildet, um diesem den Wasserstoffkraftstoff zuzuführen. Wenn das Fahrzeug 10 den Wasserstoff-Kraftstofftank 42 verwendet, kann der Rahmen 18 zusätzlich den Wasserstoff-Kraftstofftank tragen. In dem Fall, in dem das Antriebsaggregat 22 ein Benzin/Elektro-Hybrid ist (nicht gezeigt) und Motoren/Generatoren und/oder eine IC-Maschine umfasst, kann das Fahrzeug 10 einen Kraftstofftank für die IC-Maschine und eine Energiespeichereinrichtung aufweisen, wie beispielsweise eine oder mehrere Batterien. Dementsprechend kann der Rahmen 18 in dem Benzin/Elektro-Hybridfahrzeug zusätzlich den Kraftstofftank und die Energiespeichereinrichtung tragen. In dem Fall, dass das Antriebsaggregat 22 eine IC-Maschine ist, kann der Rahmen 18 ausgebildet sein, um die Maschine und den Kraftstofftank zu tragen.
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Wie es in 3 gezeigt ist, umfasst der Rahmen 18 eine rohrförmige Rahmenstange, die durch einen vollständig geschlossenen Querschnitt 44 definiert ist. Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst der Rahmen 18 zwei im Wesentlichen parallele Rahmenstangen 46 und 48, die in der Fahrzeugstruktur 14 um eine Distanz D voneinander getrennt sind. Obwohl zwei Rahmenstangen speziell gezeigt und hierin beschrieben sind, kann der Rahmen 18 nur eine Rahmenstange oder eine beliebige andere Anzahl von Rahmenstangen umfassen, wie es als notwendig zum Tragen der vorstehend erwähnten Fahrzeuguntersysteme angesehen wird. Die Rahmenstangen 46 und 48 können aus einem geeigneten Material mit hoher Festigkeit, wie beispielsweise aus Stahl, durch ein beliebiges geeignetes Verfahren gebildet werden, z. B. durch Extrudieren, Hydroformen, Walzformen und auch durch Stanzen und Schweißen.
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Wie es in 2 gezeigt ist, definiert jede der Stangen 46, 48 ein hermetisch abgedichtetes Volumen entlang der Länge der speziellen Stange. Die Stangen 46, 48 sind an ersten distalen Enden 46-1 bzw. 48-1 mit dem Antriebsaggregat 22 verbunden. Daher steht die gesamte Länge jeder Leiste 46 und 48 mit dem Antriebsaggregat 22 in Fluidverbindung. Die Stangen 46, 48 sind auch an zweiten distalen Enden 46-2 bzw. 48-2 zur Atmosphäre hin offen. Wenn das Antriebsaggregat betrieben wird und ein Drehmoment erzeugt, wird die Abgasströmung 25 von dem Antriebsaggregat 22 mittels der Krümmer 50 über die Rahmenstangen 46, 48 und weg von der Fahrzeugkarosserie 16 zu der Atmosphäre geleitet. Zusätzlich dazu, dass sie als Strukturelemente funktionieren, die Teil des Rahmens 48 sind, arbeiten die Rahmenstangen 46, 48 daher zusätzlich als Fluiddurchgänge, um die Abgasströmung 25 weg von dem Antriebsaggregat 22 zu leiten. Somit umfassen die Fluiddurchgänge, die in den Rahmenstangen 46, 48 vorgesehen sind, Innenflächen 46-3 bzw. 48-3, die für einen direkten Kontakt mit der Abgasströmung 25 ausgebildet sind. Zusätzlich können die Rahmenstangen 46 und 48 mittels Kopplungen 51 mit Querträgern 50-1 und 50-2 verbunden sein. Die Kopplungen 51 können Ableitungsvorrichtungen aufweisen, um ein beliebiges Kondensat auzustoßen, das sich ansonsten während des Betriebs des Antriebsaggregats 22 im Innern der Stangen 46, 48 aus der Abgasströmung 25 ansammeln würde.
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Die Rahmenstangen 46, 48 können aus Stählen gebildet sein, die von typischem minderwertigen Kohlenstoffstahl bis zu hochwertigen Typen reichen, beispielsweise GMW3032M-ST-S heiß gewalzter HR550 oder kalt gewalzter CR560, während ein breiter Bereich von Materialabmessungen verwendet wird, die für die speziellen Lasten geeignet sind, die durch die Rahmenstangen in dem Fahrzeug 10 erfahren werden. Darüber hinaus können die Rahmenstangen 46, 48 aus einem robusten Material gebildet sein, wie beispielsweise aus aluminisiertem Edelstahl. Der Querschnitt 44 kann eine im Wesentlichen parallelogrammartige ”Kasten”-Form, d. h. eine im Schnitt geschlossene Form, oder eine im Wesentlichen runde Form aufweisen. Die Rahmenstangen 46, 48 können anschließend gebogen oder geführt werden, um den Bauraum anderer Komponenten und Untersysteme in dem Fahrzeug 10 unterzubringen, während die erforderlichen Lasttrageeigenschaften beibehalten werden. Somit sind die vorstehend erwähnte Materialauswahl und die äußere Form der Stangen 46, 48 typischerweise eine Funktion der erwarteten Fahrzeuglasten, der Haltbarkeit und der Bauraumanforderungen.
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In dem Fall, dass die Stangen 46, 48 aus aluminisiertem Edelstahl gebildet sind, wird der Edelstahl entweder galvanisiert oder mittels eines Wärmebehandlungs-Galvanisierungsprozesses behandelt, d. h. nach dem Galvanisieren wärmebehandelt. Die Innenflächen 46-3, 48-3 der Stangen können eine temperaturbeständige Beschichtung 52 aufweisen, die auf diese aufgetragen ist (in 3 gezeigt). In einem solchen Fall überquert die Abgasströmung 25 die beschichteten Oberflächen 46-3, 48-3 entlang der Länge der Stangen 46, 48 auf dem Weg zu der Atmosphäre. Die Beschichtung 52 kann eine Urethan- oder gummierte Verbindung sein, die ausgebildet ist, um die Innenflächen 46-3 und 48-3 gegenüber Korrosion oder Oxidation aufgrund der verschiedenen Partikel zu schützen, die in der Abgasströmung 25 vorhanden sind. Die Beschichtung 52 kann ein Epoxidharz sein, das aus einem Silikon formuliert ist, oder eine beliebige andere geeignete temperaturbeständige Verbindung, die ausgebildet ist, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Zusätzlich kann zum Erzeugen der Beschichtung 52 eine Schutzschicht aus Zink durch Galvanisierung erzeugt werden, oder es können die betreffenden Oberflächen mittels eines kombinierten Prozesses des Galvanisierens und der Wärmebehandlung nach dem Galvanisieren wärmebehandelt werden.
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Bei der Ausführungsform, bei der das Antriebsaggregat 22 eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist, kann die Temperatur der Abgasströmung 25 unterhalb 100 Grad Celsius liegen. Andererseits kann die Temperatur der Abgasströmung 25 dann, wenn das Antriebsaggregat 22 eine IC-Maschine ist, 800 Grad Celsius überschreiten. Somit sind die thermischen Spannungen und die Korrosion an den Innenflächen 46-3, 48-3 wahrscheinlich in dem Fall der Brennstoffzelle im Vergleich zu der IC-Maschine signifikant geringer. Dementsprechend können die Innenflächen 46-3, 48-3 der Stangen 46, 48 in dem Fall, in dem das Antriebsaggregat 22 eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist, mit der gummierten Hochtemperaturverbindung oder dem Epoxidharz beschichtet sein. In dem Fall, in dem das Antriebsaggregat 22 eine IC-Maschine ist, können die Stangen 46, 48 aus einem luftfahrttauglichen Edelstahl gebildet sein, während die Komponenten, die mit der gummierten Verbindung oder mit dem Epoxidharz beschichtet sind, zusätzlich mittels beliebiger bekannter Verfahren thermisch isoliert sein können. Die zuvor erwähnte Auswahl des Edelstahls für die Stangen 46, 48 kann ermöglichen, dass die Stangen fortwährend erhöhten Temperaturen bei dem Vorhandensein der Abgasströmung 25 dauerhaft Stand halten und auch das langfristige strukturelle Tragen der Fahrzeuguntersysteme beibehalten, das vorstehend erwähnt wurde.
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Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren dienen zum Stützen und zur Beschreibung der Erfindung, der Umfang der Erfindung ist jedoch ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Obgleich einige der besten Weisen und andere Ausführungsformen zum Ausführen der beanspruchten Erfindung im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zum Ausüben der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
