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Die Erfindung betrifft einen Hilfsrahmen für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Konventionell wird ein Achsträger (nachfolgend als Hilfsrahmen bezeichnet) eines zweispurigen Fahrzeugs aus zwei Längsträgern gebildet, die über zumindest einen Querträger miteinander kraftübertragend verbunden sind. Je nach Achsbauart weist der Hilfsrahmen entlang seiner Längs- und Querträger Lagerkonsolen für die Aufnahme von Fahrwerkslenkern auf. Die Fahrwerkslenker sind unterteilt in Quer- und Längslenker, um die im Fahrbetrieb auftretenden Radführungskräfte aufzunehmen. Zudem verlaufen die Fahrwerkslenker entweder in einer oberen Lenkerebene oder in einer unteren Lenkerebene, um die hohen Seitenkräfte während der Kurvenfahrt aufzunehmen. Hierfür werden untere Querlenker üblicherweise an einem, die Längsträger verbindenden Querträger beidseitig angelenkt, wodurch ein günstiger Quer-Lastpfad für die Einleitung von Querkräften in den Hilfsrahmen gebildet ist.
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Aus der
DE 10 2016 004 723 A1 ist ein gattungsgemäßer Hilfsrahmen bekannt, der ein Elektroaggregat trägt. Das Elektroaggregat ist in der Fahrzeugquerrichtung von den beiden Längsträgern begrenzt und in der Fahrzeughochrichtung nach unten von einem mittleren Querträger begrenzt. Der mittlere Querträger ist Bestandteil einer Hilfsrahmen-Unterstruktur, die über Verbindungselemente an die, in einer oberen Hilfsrahmen-Ebene verlaufenden Längsträger angebunden ist. An den Verbindungselementen sind Federlenker-Halter zur Anlenkung von Federlenkern ausgebildet.
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Im Fahrbetrieb sind die Längsträger des Hilfsrahmens hohen Biegebelastungen ausgesetzt und daher entsprechend biegesteif ausgelegt. Um eine solche Biegesteifigkeit zu gewährleisten, ist die Längsträger-Geometrie konstruktiv aufwendig anzupassen und sind die Längsträger meist mit hoher Materialstärke, das heißt mit hohem Materialeinsatz, ausgelegt.
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Aus der
WO 2016/184607 A1 ist ein weiterer Hilfsrahmen bekannt, der aus einer Oberstruktur und einer Unterstruktur aufgebaut ist. Die Oberstruktur ist auf konventionelle Art rahmenartig mit Hilfsrahmen-Längsträgern sowie Hilfsrahmen-Querträgern ausgebildet. Die Unterstruktur verläuft unterhalb des auf den Hilfsrahmen abgestützten Elektroaggregats. Die Lagerkonsolen für die Radführungselemente sind teilweise an der Unterstruktur sowie an der Oberstruktur ausgebildet. Auf diese Weise wird eine Querverbindung bereitgestellt, die unterhalb des Elektroaggregats verläuft, den Hilfsrahmen aussteift und einen günstigen Lasteinleitungspfad bildet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hilfsrahmen für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug bereitzustellen, der im Vergleich zum obigen Stand der Technik in einfacher Weise, das heißt mit reduziertem Materialeinsatz und/oder konstruktiv einfach, im Fahrbetrieb bauteilsteif ausgebildet ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht insbesondere auf einem konkreten Lastfall, bei dem, zum Beispiel in einer Kurvenfahrt, über einen Querlenker Querkräfte in den Hilfsrahmen eingeleitet werden. In diesem Lastfall werden im obigen Stand der Technik die Hilfsrahmen-Längsträger vorrangig auf Biegung beansprucht. Demgegenüber spielt die hohe Torsionssteifigkeit der meist als Hohlprofilteile ausgelegten Hilfsrahmen-Längsträger bei der Auslegung des Hilfsrahmens nur eine untergeordnete Rolle. In Abkehr davon ist erfindungsgemäß der Hilfsrahmen so ausgelegt, dass die Hilfsrahmen-Längsträger im Fahrzeugbetrieb gezielt auf Torsion belastet werden und gleichzeitig deren Biegebelastung reduziert ist. Vor diesem Hintergrund weist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 jeder der Längsträger einen Krümmungsabschnitt mit zumindest zwei an einem Krümmungsscheitel zusammenlaufenden Krümmungsflanken auf. Diese gehen jeweils an vorderen und hinteren Krümmungskanten in vordere und hintere Längsträger-Endabschnitte über. Der Krümmungsscheitel ragt in der Fahrzeugquerrichtung um eine Hebelarmlänge von der vorderen und hinteren Längsträger-Endabschnitten vor. Speziell an dem so gebildeten Krümmungsscheitel ist zusätzlich eine Fügestelle ausgebildet, an der der mittlere Querträger am Längsträger angebunden ist. Der im Längsträger gebildete Krümmungsabschnitt wirkt daher im Fahrbetrieb nach Art eines Antriebshebels, mittels dem die vorderen und hinteren Längsträger-Endabschnitte tordierbar sind, d.h. mit einem Torsionsmoment um deren Längsachse belastbar sind, während der Längsträger gleichzeitig von Biegespannungen entlastet wird.
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Die obige Längsträger-Geometrie hat insbesondere bei einer auf den mittleren Querträger ausgeübten Vertikallast die folgende Wirkung: So führt eine im Fahrzeugbetrieb auf den mittleren Querträger ausgeübte Vertikalkraft nicht mehr vorrangig zu einer Biegebelastung des Längsträgers, sondern vielmehr zum Aufbau eines Torsionsmomentes im Längsträger, das um eine Längsträger-Längsachse gerichtet ist und der Vertikalkraft entgegenwirkt. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß die speziell bei einem als Hohlprofilteil ausgelegten Längsträger vorhandene hohe Torsionssteifigkeit genutzt, um im Lastfall eine ausreichende Bauteilsteifigkeit des Hilfsrahmens zu erzielen.
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In einer technischen Umsetzung kann zur Steigerung der Torsionsbelastbarkeit des Längsträgers die oben erwähnte Fügestelle zur Anbindung des Querträgers (nachfolgend als Querträger-Fügestelle bezeichnet) am Längsträger in der Fahrzeugquerrichtung betrachtet entweder einseitig außen oder einseitig innen am Krümmungsscheitel des Längsträgers positioniert sein.
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Die im Fahrzeugbetrieb anstelle der Biegelast auf den Längsträger ausgeübte Torsionslast kann mittels der folgenden Querträger-Geometrie weiter erhöht werden: So kann der mittlere Querträger einen querverlaufenden Mittelabschnitt aufweisen, der sich unterhalb des Elektroaggregats erstreckt. Der querverlaufende Querträger-Mittelabschnitt kann an einer jeweils stirnseitigen Knotenstelle V-förmig in zwei Querträger-Arme aufgegabelt sein. Jeder dieser Querträger-Arme kann jeweils an einer Querträger-Fügestelle am Längsträger angebunden sein. Bauraumgünstig ist es, wenn die Querträger-Arme in der Fahrzeughochrichtung nach oben abgewinkelt sind. In diesem Fall ergibt sich insgesamt eine bauteilsteife wannenförmige Hilfsrahmen-Struktur, in der das Elektroaggregat angeordnet werden kann.
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In einer Weiterentwicklung kann der Längsträger-Krümmungsabschnitt insgesamt zwei in der Fahrzeugquerrichtung um eine Hebelarmlänge querversetzte Krümmungsscheitel aufweisen. An jedem der beiden Krümmungsscheitel kann (an einer Querträger-Fügestelle) jeweils ein Querträger-Arm des gegabelten mittleren Querträgers angebunden sein. Bevorzugt sind die zwei Krümmungsscheitel in einem sinusförmigen Verlauf des Längsträger-Krümmungsabschnittes eingebunden.
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Bei einem solchen sinusförmigen Verlauf des Krümmungsabschnittes wird zwischen den in der Fahrzeuglängsrichtung voneinander beabstandeten Krümmungsscheitel ein Freigang gebildet, in den packageoptimiert ein Funktionselement, insbesondere eine Tragfeder, einragen kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn an dem mittleren Querträger, insbesondere an dessen Querträger-Arme, ein Radführungselement, zum Beispiel ein querverlaufender Federlenker, angebunden ist, auf dem eine Tragfeder abgestützt ist. Diese kann, wie oben angegeben, teilweise in den Freigang zwischen den beiden Krümmungsscheiteln seitlich einragen.
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In einer technischen Umsetzung können die Längsträger an vorderen und hinteren Hilfsrahmen-Ecken mit vorderen und hinteren Querträgern verbunden sein, die den Elektroaggregate-Bauraum in der Fahrzeuglängsrichtung nach vorne und nach hinten begrenzen. Die vorderen und hinteren Querträger erhöhen im Zusammenspiel mit dem mittleren Querträger die Bauteilsteifigkeit des Hilfsrahmens. Zudem kann an den vorderen und hinteren Hilfsrahmen-Ecken jeweils ein Hilfsrahmen-Lager ausgebildet sein, über das der Hilfsrahmen an der Fahrzeugkarosserie anbindbar ist.
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Zusammenfassend ergibt sich eine Längsträger-Geometrie, bei der sich der vordere Längsträger-Endabschnitt ausgehend von einer vorderen Hilfsrahmen-Ecke nicht linear in Längsflucht nach hinten (d.h. in Richtung Fahrzeugheck) erstreckt, sondern vielmehr ausgehend von der vorderen Hilfsrahmen-Ecke mit einem vorderen Längsträger-Winkel nach fahrzeuginnen schräggestellt ist. In gleicher Weise ist der hintere Längsträger-Endabschnitt ausgehende von der hinteren Hilfsrahmen-Ecke nach vorne (das heißt in Richtung Fahrzeugfront) mit einem hinteren Längsträger-Winkel nach fahrzeuginnen schräggestellt. Die vorderen und hinteren Längsträger-Endabschnitte sind über den mittleren Krümmungsabschnitt miteinander verbunden. Zudem kann der vordere Längsträger-Endabschnitt über die vordere Hilfsrahmen-Ecke hinaus nach vorne mit einem Überstand verlängert sein und endseitig ein vorderes Hilfsrahmenlager tragen. In gleicher Weise kann auch der hintere Längsträger-Endabschnitt über die hintere Hilfsrahmen-Ecke hinaus nach hinten mit einem Überstand verlängert sein und endseitig ein hinteres Hilfsrahmenlager tragen.
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Wie weiter oben erwähnt, wird im Fahrbetrieb der jeweilige Hilfsrahmen-Längsträger vorrangig nicht biegebelastet, sondern mit einem Torsionsmoment beaufschlagt. Die Torsionsbelastung der Hilfsrahmen-Längsträger führt jedoch zu einer verstärkten Biegebelastung der vorderen und hinteren Querträger, die kraftübertragend an den Hilfsrahmen-Längsträgern angebunden sind. Zur Steigerung der Biegesteifigkeit ist es bevorzugt, wenn die vorderen und/oder hinteren Querträger ein biegesteifes I-Profil oder ein Doppel-C-Profil aufweisen.
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Der Längsträger kann im Querschnitt ein offenes oder geschlossenes Hohlprofil aufweisen, um eine hohe Torsionssteifigkeit zu gewährleisten. In gleicher Weise kann auch der mittlere Querträger ein im Querschnitt offenes oder geschlossenes Hohlprofil aufweisen. Insbesondere kann der mittlere Querträger in einer Schalenbauweise, als einteiliges Gussprofil oder durch Innenhochdruckformen hergestellt sein.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben:
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Es zeigen:
- 1 und 2 perspektivische Darstellungen eines Hinterachs-Hilfsrahmens eines zweispurigen Fahrzeugs in Alleinstellung;
- 3 den Hilfsrahmen in einer Ansicht von oben;
- 4 eine vergrößerte Detailansicht aus der 3; und
- 5 eine Ansicht entlang der Schnittebene A-A aus der 3.
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In den Figuren ist ein Hilfsrahmen oder Achsträger für die Hinterachse eines zweispurigen Fahrzeugs gezeigt. Der Hilfsrahmen ist in etwa rahmenförmig aufgebaut, und zwar mit zwei in der Fahrzeugquerrichtung y seitlich äußeren Hilfsrahmen-Längsträgern 1, die im Bereich der vorderen und hinteren Hilfsrahmen-Ecken E1, E2 jeweils mit Hilfsrahmen-Lagern 3 ausgebildet sind, über die der Hilfsrahmen an einer nicht gezeigten Fahrzeugkarosserie anbindbar ist. Die Längsträger 1 sind an den vorderen und hinteren Hilfsrahmen-Ecken E1, E2 über vordere und hintere Querträger 5, 7 miteinander kraftübertragend verbunden. Zudem sind die beiden Längsträger 1 über einen mittleren Querträger 9 miteinander kraftübertragend verbunden.
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Wie aus der 4 hervorgeht, weist der mittlere Querträger 9 einen, in einer unteren Hilfsrahmen-Ebene querverlaufenden Mittelabschnitt 11 auf, der jeweils stirnseitig an einer Knotenstelle K (1 oder 3) in zwei Querträger-Arme 13, 15 aufgegabelt ist. Die beiden Querträger-Arme 13, 15 sind in der Fahrzeughochrichtung z nach oben abgewinkelt und endseitig an später beschriebenen Querträger-Fügestellen F1, F2 (1 bis 4) am Längsträger 1 zum Beispiel über Schweißnähte gefügt. Zwischen den beiden Längsträgern 1 ist in der Fahrzeugquerrichtung y ein Bauraum 17 für ein (aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigtes) Elektroaggregat begrenzt, mit dem die Hinterräder des Fahrzeugs antreibbar sind.
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Der Elektroaggregate-Bauraum 17 ist in der Fahrzeughochrichtung z nach unten von dem mittleren Querträger 9 begrenzt und in der Fahrzeuglängsrichtung x nach vorne und nach hinten durch die vorderen und hinteren Querträger 5, 7 begrenzt. Wie aus den Figuren weiter hervorgeht, sind seitlich außen an den Längsträgern 1 Lagerkonsolen 19 ausgebildet, an die nicht dargestellte Radführungselemente anlenkbar sind. An der Knotenstelle K im Bereich zwischen den beiden Querträger-Armen 13, 15 ist eine weitere Lagerstelle 21 (1 oder 5) angedeutet, an der ein querverlaufender Federlenker 23 angelenkt ist, auf dem eine den Fahrzeugaufbau tragende Tragfeder 25 abgestützt ist.
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Der Längsträgerverlauf variiert in der Höhe, wobei der vertikale Verlauf aus der Lage der hilfsrahmenseitigen Anlenkpunkte der Radführungselemente resultiert. Ziel ist es, möglichst viele hilfsrahmenseitige Anlenkpunkte über den Längsträgerverlauf einzufangen. Der Längsträgerverlauf in der Fahrzeugquerrichtung y resultiert aus der Lage der hilfsrahmenseitigen Anlenkpunkte sowie dem notwendigen Bauraum für die Unterbringung und den Freigang der Tragfeder 25 und den Dämpfer.
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Gemäß den Figuren ist die Längsträger-Geometrie insgesamt bogenförmig ausgeführt, wobei jeder Längsträger 1 in einen vorderen Endabschnitt 35, einem mittleren Krümmungsabschnitt 27 und einen hinteren Endabschnitt 37 unterteilt ist. Die vorderen und hinteren Längsträger-Endabschnitte 35, 37 sind über den mittleren Krümmungsabschnitt 27 miteinander verbunden, wobei an jedem der Endabschnitte 35, 37 zumindest eine Lagerkonsole 19 ausgebildet ist. Der vordere Längsträger-Endabschnitt 35 erstreckt sich ausgehend von einer vorderen Hilfsrahmen-Ecke E1 nicht linear in Längsflucht nach hinten (das heißt in Richtung Fahrzeugheck). Vielmehr ist der vordere Längsträger-Endabschnitt 35 ausgehend von der vorderen Hilfsrahmen-Ecke E1 mit einem vorderen Längsträger-Winkel α1 (3) nach fahrzeuginnen schräggestellt. In gleicher Weise ist der hintere Längsträger-Endabschnitt 37 ausgehende von der hinteren Hilfsrahmen-Ecke E2 nach vorne (das heißt in Richtung Fahrzeugfront) mit einem hinteren Längsträger-Winkel α2 (3) nach fahrzeuginnen schräggestellt. Der vorderen Längsträger-Winkel α1 ist in der 3 zwischen einer durch die vordere Hilfsrahmen-Ecke E1 gehenden Vertikal-/Längsebene (xz-Ebene) und dem vorderen Längsträger-Endabschnitt 35 aufgespannt. Analog dazu ist der hintere Längsträger-Winkel α2 in der 3 zwischen einer durch die hintere Hilfsrahmen-Ecke E2 gehenden Vertikal-/Längsebene (xz-Ebene) und dem hinteren Längsträger-Endabschnitt 37 aufgespannt.
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Zudem ist der vordere Längsträger-Endabschnitt 35 über die vordere Hilfsrahmen-Ecke E1 hinaus nach vorne mit einem Überstand verlängert sein trägt endseitig das vordere Hilfsrahmen-Lager 3. In gleicher Weise kann auch der hintere Längsträger-Endabschnitt 37 über die hintere Hilfsrahmen-Ecke E2 hinaus nach hinten mit einem Überstand verlängert sein und trägt endseitig das hintere Hilfsrahmen-Lager 3.
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Wie aus der 3 oder 4 hervorgeht, weist der mittlere Krümmungsabschnitt 27 des Längsträgers 1 einen sinusförmigen Verlauf auf. Dieser ist mit zwei in der Fahrzeugquerrichtung y seitlich nach außen versetzten Krümmungsscheiteln S1, S2 ausgebildet, an denen jeweils Krümmungsflanken 29 zusammenlaufen. Der Krümmungsabschnitt 27 geht jeweils an vorderen und hinteren Krümmungskanten 31, 33 (4) in die vorderen und hinteren Längsträger-Endabschnitte 35, 37 über. Die beiden Krümmungsscheitel S1, S2 sind in der 3 oder 4 um eine Hebelarmlänge Δy (4) von den vorderen und hinteren Längsträger-Endabschnitten 35, 37 in der Fahrzeugquerrichtung y nach fahrzeugaußen beabstandet. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders bauteilsteife Ausführung der Längsträger 1. In Doppelfunktion bilden die beiden Krümmungsscheitel S1, S2 zugleich auch die Fügestellen F1, F2 aus, an denen die Querträger-Arme 13, 15 des mittleren Querträgers 9 angebunden sind.
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Die obige Längsträger-Geometrie hat insbesondere bei einer im Fahrzeugbetrieb auf den mittleren Querträger ausgeübten Vertikalkraft Fv (5) den folgenden Vorteil: In diesem Lastfall wird im Längsträger 1 (das heißt insbesondere in den vorderen und hinteren Längsträger-Endabschnitten 35, 37) ein Torsionsmoment MT um eine Längsträger-Längsachse L aufgebaut, das der Vertikalkraft Fv entgegenwirkt. Alternativ und/oder zusätzlich werden auch Querkräfte in den Querträger 9 eingeleitet, die ebenfalls in einer Torsion des Längsträgers 1 resultieren.
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Zur Steigerung einer Tordierbarkeit des Längsträgers 1 sind die Querträger-Fügestellen F1, F2, an denen der mittlere Querträger 9 am Längsträger 1 angebunden ist, in der Fahrzeugquerrichtung y einseitig fahrzeugaußen am jeweiligen Längsträger-Krümmungsscheitel S1, S2 positioniert.
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Zugleich ergibt sich zwischen den beiden, in der Fahrzeuglängsrichtung x voneinander beabstandeten Krümmungsscheitel S1, S2 ein Freigang f ( 3), in dem die Tragfeder 25 packageoptimiert einragt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016004723 A1 [0003]
- WO 2016/184607 A1 [0005]
