DE102014114949B4

DE102014114949B4 - Sammelschiene und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE102014114949B4
Application number: DE102014114949.1A
Authority: DE
Inventors: Eric Roselli; Mark J. McGuire; Edward D. Moss; Daniel K. Davis
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2021-04-29
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: US9889806B2; CN104575694B; US20150107870A1; DE102014114949A1; CN104575694A

Abstract

Sammelschiene (100), aufweisend:eine Schiene (102), die aus einem Material hergestellt ist, das eine Dichte von weniger als 2,70 Gramm pro Kubikzentimeter aufweist; wobei die Schiene (102) eine Mehrzahl von Löchern (104) aufweist, um einen Kontakt zwischen der Sammelschiene (100) und einer Massebefestigung zu unterstützen, wobei die Sammelschiene (100) in einem Kraftfahrzeug (112) verwendet ist und an einen Rahmen des Kraftfahrzeugs (112) durch eine einzelne Punktschweißung angebunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Sammelschienen mit geringem Gewicht sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Mit den jüngsten Anstiegen der Kraftstoffpreise und mit der Einführung von Gesetzen zur Minimierung von Kohlenstoffemissionen ist es erwünscht, Kraftfahrzeuge mit geringem Gewicht zum Transport einzuführen. Kraftfahrzeuge mit geringem Gewicht verbrauchen weniger Kraftstoff pro gefahrene Meile infolgedessen, dass sie mit geringeren Kohlenstoffemissionen pro Gewichtseinheit an Kraftstoff weiter fahren können. Um ein Kraftfahrzeuggewicht zu reduzieren, ist es erwünscht, das Gewicht aller Teile, die in dem Kraftfahrzeug verwendet sind, zu reduzieren. Beispielsweise werden die Außentafeln für Kraftfahrzeuge nun aus elektrisch leitendem Kunststoff hergestellt, um das Kraftfahrzeuggewicht zu reduzieren.
Sammelschienen werden in Kraftfahrzeugen verwendet, um Ladungen zwischen Kraftfahrzeugtafeln und anderen Erdungs- bzw. Masseschienen, die in dem Kraftfahrzeug verwendet werden, zu leiten. Sammelschienen werden allgemein aus Stahl hergestellt, der teuer und schwer ist.
WO 2013 / 138 853 A1 offenbart eine Sammelschiene, bei der eine elektrisch leitende Barriere um mindestens einen ersten Abschnitt der Sammelschienenoberfläche herum angeordnet ist, um die Bildung einer Oxidschicht auf der Sammelschiene zu begrenzen, und eine weitere elektrisch isolierende Barriere um mindestens einen zweiten Abschnitt der Oberfläche der Sammelschiene herum angeordnet ist, um eine unerwünschte elektrische Verbindung mit der Sammelschiene zu begrenzen.
DE 24 15 949 A beschreibt eine aus Blechen oder Schienen zusammengesetzte Sammelschiene, bei der eine Anzahl der Bleche oder Schienen an mindestens zwei Stellen durch Sprengschweissung an jeder dieser Stellen zu einer massiven Platte vereinigt sind, wobei die Bleche eine Kompensationsfalte aufweisen, die als Wärmeausdehnungskompensator dient.
Weiterer Stand der Technik ist in der US 7 458 861 B1 , der JP 2008 - 38 207 A , der JP H07 - 262 827 A und der DE 42 39 982 A1 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, Sammelschienen mit geringem Gewicht herzustellen, um das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs zu reduzieren und eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine elektrisch leitende Schiene zeigt, die Merkmale der Erfindung aufweist.
2 ist eine andere perspektivische Ansicht der Sammelschiene von 1 und der Massebefestigungen.

Es ist hier eine Sammelschiene mit geringem Gewicht offenbart, die aus Materialien hergestellt ist, die eine Feststoffdichte von weniger als oder gleich 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) besitzen. Die Sammelschiene kann aus einem massiven Material, einem geschäumten Metall, einem elektrisch leitenden Kunststoff, einer elektrisch leitenden Keramik oder einer Kombination, die zumindest eines der vorhergehenden Materialien umfasst, hergestellt sein. Die hier dargestellte Sammelschiene sieht mehrere Massepunkte für elektrische Kraftfahrzeugsysteme in einem einzelnen einfachen Stück vor. Sie sieht mehrere Massebefestigungen in einem lokalen Bereich vor. Sie unterstützt die leichte Herstellung und Montage von Masseschienen und unterstützt auch eine Reduzierung des Gewichts des Kraftfahrzeugs.
Nun mit Bezug auf 1 ist zu sehen, dass eine Sammelschiene 100 eine elektrisch leitende Schiene 102 umfasst, die eine Mehrzahl von Löchern 104 umfasst. Massebefestigungen (nicht gezeigt) stehen in elektrischer Kommunikation mit der Schiene 102 über die Löcher 104. Die elektrisch leitende Schiene kann aus einem massiven Metall, wie Aluminium oder elektrisch leitenden Legierungen aus Aluminium, hergestellt sein, deren Dichte geringer als die von Aluminium ist. Die Aluminiumlegierungen enthalten allgemein Lithium. Lithium ist das Metall mit der geringsten Dichte, die bekannt ist, und kann in Aluminiummengen von bis zu 10 Gewichtsprozent (Gew.-%), insbesondere 5 Gew.-% und noch genauer 4,2 Gew.-% auf Grundlage des Gesamtgewichts der Sammelschiene vorliegen. Andere Metalle, wie Kupfer, Zirkonium, Titan und dergleichen, können der Legierung aus Aluminium und Lithium zugesetzt sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Sammelschiene aus Aluminiummetall hergestellt.
Bei einer Ausführungsform kann die Metallschiene aus einem geschäumten Metall hergestellt sein. In dem Fall, dass das Metall, das in der Sammelschiene verwendet ist, geschäumt ist, können Metalle, die dichter als Aluminium sind, verwendet werden, um die Sammelschiene zu bilden. Die Metalle sind geschäumt, so dass sie eine Volumendichte von weniger als oder gleich 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter besitzen. Metalle, wie Titan, Stahl, Aluminium, Kupfer, Hafnium, Zirkonium, Blei, Zink, Tantal, Chrom, Wolfram, Zink und der gleichen können in ihrer geschäumten Form in den Sammelschienen verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann das geschäumte Metall zwischen zwei oder mehr Schichten aus massivem Metall schichtartig angeordnet sein, um die Schiene 102 zu bilden.
Bei einer Ausführungsform können die geschäumten Sammelschienen aus Metallen hergestellt sein, die aus geschäumtem Kohlenstoff oder anderen nichtleitenden geschäumten Materialien angeordnet sind. Beispiele nichtleitender geschäumter Materialien sind Glas, Polymer (z.B. Polycarbonat, Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polyethylen und dergleichen). Die Metallbeschichtung an dem Polymer oder Glas macht den Schaum elektrisch leitend. Beispiele derartiger geschäumter Sammelschienen sind Hafnium über einem Kohlenstoffschaum, Blei, Molybdän, Nickel, Nickel-Chrom-Legierung, Niob über einem Kohlenstoffschaum, Rhenium über einem Kohlenstoffschaum, rostfreier Stahl, Tantal über einem Kohlenstoffschaum, Zinn, Titan, Wolfram über einem Kohlenstoffschaum, Zink, Zirkonium über einem Kohlenstoffschaum oder dergleichen sowie eine Kombination, die zumindest einen der vorhergehenden Schäume umfasst.
Bei einer Ausführungsform kann die Sammelschiene aus einem elektrisch leitenden Polymer hergestellt sein. Das elektrisch leitende Polymer wird durch Mischen eines Polymers (das normalerweise elektrisch isolierend ist) mit einem elektrisch leitenden Füllstoff hergestellt. Das Polymer kann ein thermoplastisches Polymer, eine Mischung aus thermoplastischem Polymer, ein duroplastisches Polymer oder Mischungen aus thermoplastischem Polymer mit duroplastischem Polymer sein. Beispiele der Polymere sind Polyacetale, Polyolefine, Polyacrylate, Polycarbonate, Polystyrene, Polyester, Polyamide, Polyamidimide, Polyarylate, Polyarylsulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfide, Polyvinylchloride, Polysulfone, Polyimide, Polyetherimide, Polytetrafluorethylene, Polyetherketone, Polyetheretherketone, Polyetherketonketone, Polybenzoxazole, Polyphthalide, Polysiloxane oder dergleichen sowie eine Kombination, die zumindest eines der vorhergehenden Polymere umfasst.
Beispiele von elektrisch leitenden Füllstoffen sind Kohlenstoff-Nanotubes, Kohlefasern (hergestellt aus Polyacrylonitril und/oder Pech), Ruß, Metallpartikel, Metallfasern (z.B. Fasern aus rostfreiem Stahl) oder dergleichen sowie eine Kombination, die zumindest einen der vorhergehenden elektrisch leitenden Füllstoffe umfasst. Das elektrisch leitende Polymer kann einen spezifischen elektrischen Volumenwiderstand besitzen, der kleiner als 1 x 10¹¹ Ohm-cm beträgt. Das elektrisch leitende Polymer besitzt eine Dichte von weniger als oder gleich 2,7 g/cm³. Der elektrisch leitende Füllstoff kann in Mengen von 2 bis 50 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Sammelschiene verwendet sein.
Bei einer Ausführungsform kann das elektrisch leitende Polymer auch geschäumt sein. Ein Schäumen kann dadurch erzeugt werden, dass das Polymer mit einem Treibmittel gemischt wird und dann das Treibmittel aktiviert wird. Beispiele von Treibmitteln sind Kohlendioxid, Stickstoff, Fluorhalogenkohlenstoffe und dergleichen.
Wie oben angemerkt ist, besitzt die Schiene 102 eine Mehrzahl von Löchern 104, die dazu verwendet werden, mehrere Massebefestigungen in einem lokalen Bereich bereitzustellen. Die Löcher 104 können mit einem Gewinde versehen sein und es kann eine einzelne Befestigungseinrichtung (nicht gezeigt) verwendet werden, um eine elektrische Kommunikation zwischen einer Massebefestigung (z.B. einem Massekabel) und einer Sammelschiene 100 zu unterstützen. Die Befestigungseinrichtung kann eine Schraube sein, die in dem Gewindeloch 104 angeordnet werden kann.
Bei einer Ausführungsform kann die Schiene durch Kaltwalzen eines Metalls hergestellt werden. Die Löcher werden durch Bohren, Räumen/Reiben, Schlitzen/Kerben, Fräsen oder eine Kombination, die zumindest einen der vorhergehenden Prozesse umfasst, hergestellt. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Schiene durch Fräsen oder Schlitzen/Kerben hergestellt sein, während die Löcher durch Bohren, Räumen/Reiben, Schlitzen/Kerben, Fräsen oder eine Kombination, die zumindest einen der vorhergehenden Prozesse umfasst, hergestellt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Sammelschiene stranggepresst sein und die Löcher können durch Bohren bereitgestellt werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Sammelschiene durch Formen oder Gießen hergestellt werden. Beispiele von Formgebung sind Spritzgießen oder Formenpressen. Die Sammelschiene kann einen rechtwinkligen oder quadratischen Querschnitt besitzen. Andere Querschnittsgeometrien, wie dreieckig, kreisförmig oder dergleichen, können ebenfalls verwendet werden.
2 ist eine Darstellung, das die Massebefestigung 110 in Verbindung mit der Sammelschiene 100 über eine einzelne Schraube 106 zeigt. Die Massebefestigung 110 weist eine Lasche 108 mit einem Loch darin auf, durch das die einzelne Schraube 106 verläuft. Die Schraube 106 wird in das Gewindeloch 104 (nicht gezeigt) geschraubt, wodurch die Massebefestigung 110 an der Sammelschiene 100 angebracht wird. Dieses Verfahren zum Erden ist als Einzelpunkterdung bekannt und dahingehend vorteilhaft, dass es einen schnellen Zusammenbau der Sammelschiene mit dem Kraftfahrzeug unterstützt.
Wie in 2 zu sehen ist, kann die Sammelschiene 100 an einem Rahmen des Kraftfahrzeugs 112 fest befestigt werden. Erfindungsgemäß wird die Sammelschiene 100 an dem Rahmen des Kraftfahrzeugs 112 über eine einzelne Punktschweißung fest befestigt. Wenn die Sammelschiene aus einem Metall hergestellt ist, kann die Punktschweißung durch eine Metallinertgas-(MIG)-Schweißung oder durch eine Metallaktivgas-(MAG)-Schweißung hergestellt werden. Wenn die Sammelschiene 100 ein elektrisch leitendes Polymer umfasst, kann sie an dem Kraftfahrzeugrahmen dadurch angebracht werden, dass das Polymer auf eine Temperatur geringfügig oberhalb der Vliestemperatur erhitzt wird und diese in den Kraftfahrzeugrahmen gepresst wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann der elektrisch leitende Klebstoff dazu verwendet werden, die Sammelschiene an dem Kraftfahrzeugrahmen anzubinden.
Die Sammelschiene, die auf diese Weise hergestellt ist, ist dahingehend vorteilhaft, dass sie eine Einzelpunkterdung, eine einfache Herstellung wie auch einen einfachen Zusammenbau bereitstellt. Die Verwendung einer einzelnen Schiene unterstützt eine Gewichtsreduzierung in dem Fahrzeug wie auch eine reduzierte Herstellkomplexität für sowohl die Anlage als auch die Zulieferer der ankommenden Komponenten.

Claims

Sammelschiene (100), aufweisend: eine Schiene (102), die aus einem Material hergestellt ist, das eine Dichte von weniger als 2,70 Gramm pro Kubikzentimeter aufweist; wobei die Schiene (102) eine Mehrzahl von Löchern (104) aufweist, um einen Kontakt zwischen der Sammelschiene (100) und einer Massebefestigung zu unterstützen, wobei die Sammelschiene (100) in einem Kraftfahrzeug (112) verwendet ist und an einen Rahmen des Kraftfahrzeugs (112) durch eine einzelne Punktschweißung angebunden ist.
Sammelschiene (100) nach Anspruch 1, wobei die Schiene (102) Aluminium aufweist.
Sammelschiene (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Schiene (102) ferner Lithium aufweist.
Sammelschiene (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schiene (102) ein geschäumtes Metall aufweist.
Sammelschiene (100) nach Anspruch 1, wobei die Schiene (102) einen elektrisch leitenden Kunststoff aufweist und wobei der elektrisch leitende Kunststoff einen elektrisch leitenden Füllstoff aufweist; wobei der elektrisch leitende Füllstoff Kohlenstoff-Nanotubes, Kohlefasern, Ruß, Metallpartikel oder eine Kombination daraus aufweist.
Verfahren, umfassend, dass: eine oder mehrere Massebefestigungen an einer Sammelschiene (100) angebracht werden, wobei die Sammelschiene (100) aufweist: eine Schiene (102), die aus einem Material hergestellt wird, das eine Dichte von weniger als 2,70 Gramm pro Kubikzentimeter besitzt; wobei an der Schiene (102) eine Mehrzahl von Löchern (104) angebracht wird, um einen Kontakt zwischen der Sammelschiene (100) und einer Massebefestigung zu unterstützen; und die Sammelschiene (100) an einem Rahmen eines Kraftfahrzeugs (112) angebracht wird, wobei das Anbringen der Sammelschiene (100) an dem Rahmen des Kraftfahrzeugs (112) durch eine Punktschweißung erreicht wird, und wobei jede Massebefestigung an der Sammelschiene (100) durch eine einzelne Schraube (106) oder einen einzelnen Ansatz angebracht wird.