DE102017214623A1

DE102017214623A1 - Karosseriestruktur für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102017214623A1
Application number: DE102017214623.0A
Authority: DE
Inventors: Katrin Riedel; Theodoris Tzivanopoulos; Frank Minter; Jürgen Stieg
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2019-02-28
Anticipated expiration: 2037-08-23
Also published as: DE102017214623B4; DE102017214623A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Karosseriestruktur für ein Fahrzeug, in der ein Druckbehälter (31) verbaut ist, der einen zylindrischen Behältermantel (53) aufweist, der an axial gegenüberliegenden Seiten jeweils mit nach außen gewölbten Behälterböden (27, 29) geschlossen ist, wobei der Druckbehälter (31) an zumindest einer karosserieseitigen Lagerstelle an die Karosseriestruktur angebunden ist. Erfindungsgemäß weist die karosserieseitige Lagerstelle halbschalenförmige oder kalottenförmige Lageraufnahmen (23, 25) auf, die die nach außen gewölbten Behälterböden (27, 29) des Druckbehälters (31) einfassen. Die karosserieseitige Lagerstelle ist in einem Lastpfad (L_x) einbindbar, mit dem im Crashfall, in Betriebslastfällen und/oder zur Erhöhung der Karosseriesteifigkeit Kräfte übertragbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Karosseriestruktur für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In einem Brennstoffzellen-Fahrzeug wird in einem Brennstoffzellen-System aus Wasserstoff elektrische Energie gewonnen, die entweder direkt zu einer Elektromaschine geleitet wird oder in einer Traktionsbatterie zwischengespeichert wird. Die Erfindung basiert speziell auf einem aus der DE 10 2008 051 786 A1 bekannten Fahrzeugkonzept, bei dem sowohl das Brennstoffzellen-System, der Wasserstoff-Druckspeicher als auch die Traktionsbatterie in der Fahrzeugkarosserie verbaut sind. Dabei kann der Wasserstoff-Druckspeicher unterflurig in der Fahrzeugmitte im Bereich des Mitteltunnels liegen, während die Brennstoffzellen-Komponenten als eine Einheit auf einer Fahrzeugseite am Unterboden angeordnet sind und die Traktionsbatterie auf der anderen Fahrzeugseite am Unterboden angeordnet ist. Bei einem solchen Fahrzeugkonzept ist der Wasserstoff-Druckbehälter vergleichsweise groß dimensioniert und in Längsrichtung im Mitteltunnel eingebaut. Der Druckbehälter kann speziell ein Typ-IV-Hochdruckbehälter sein, das heißt als Innenlage einen Kunststoff-Liner aufweisen, der zum Beispiel in einem Nasswickelverfahren mit einer verstärkenden Faserwicklung als Mittellage umwickelt ist. Ein solcher Typ-IV-Hochdruckbehälter weist im Betriebsfall einen Innendruck im Bereich von beispielhaft 700 bar auf. Zwischen dem befüllten und unbefüllten Zustand ergibt sich im Hochdruckbehälter eine Längenänderung im Bereich von zirka 1%.
In der aus der DE 10 2008 051 786 A1 bekannten gattungsgemäßen Karosseriestruktur ist ein Druckbehälter verbaut, der einen zylindrischen Behältermantel aufweist, der an axial gegenüberliegenden Seiten jeweils mit nach außen gewölbten Behälterböden geschlossen ist. Der Druckbehälter ist an zumindest einer karosserieseitigen Lagerstelle an die Karosseriestruktur des Fahrzeugs angebunden.
In derzeitigen Brennstoffzellen-Fahrzeugen sind die Druckbehälter meist so an der Karosseriestruktur angebunden, dass möglichst keine Kräfte in den Druckbehälter eingeleitet werden. Zusätzlich wird in den meisten Brennstoffzellen-Fahrzeugen eine massive Schutzstruktur rund um den Druckbehälter vorgehalten, so dass auch im Crashfall keine Kräfte in den Druckbehälter eingeleitet werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Karosseriestruktur für ein Fahrzeug bereitzustellen, bei der ein Druckbehälter in einfacher Weise als ein lasttragendes Versteifungselement in die Karosseriestruktur einbindbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass speziell ein Hochdruckbehälter massive Behälterwandstärken aufweist und daher eine entsprechend hohe Bauteilstabilität bzw. -steifigkeit bereitstellt. Vor diesem Hintergrund wird erfindungsgemäß der Hochdruckbehälter so in die Karosseriestruktur verbaut, dass dieser in einem Lastfall (zum Beispiel bei einem Fahrzeugcrash oder im normalen Fahrbetrieb) in einem Lastpfad integriert ist, um beschädigungsfrei Betriebskräfte und/oder Crashkräfte aufzunehmen und weiterzuleiten. Vor diesem Hintergrund weist die karosserieseitige Lagerstelle der Karosseriestruktur halbschalenförmige oder kalottenförmige Lageraufnahmen auf, die die nach außen gewölbten Behälterböden des Druckbehälters einfassen. Die karosserieseitige Lagerstelle kann somit in einem Lastpfad eingebunden werden, mit dem im Crashfall, in Betriebslastfällen und/oder zur Erhöhung der Karosseriesteifigkeit Kräfte übertragbar sind. Dadurch ergibt sich das Potential einer hohen Gewichtseinsparung sowie auch von Packagevorteilen.
Der oben definierte Hochdruckbehälter kann zwar sehr hohe Lasten beschädigungsfrei tragen. Allerdings dürfen Kräfte nicht lokal in die Hochdruckbehälterstruktur eingeleitet werden. Mit der halbschalenförmigen bzw. kalottenförmigen Lageraufnahme wird sichergestellt, dass die in den Druckbehälter eingeleiteten Lasten möglichst flächig in den Druckbehälter eingeleitet werden. Dadurch kann die heute übliche massive Schutzstruktur entfallen. Dadurch wird zum einen Karosserie-Gewicht eingespart, zum anderen ergibt sich zusätzlicher Packageraum, um beispielsweise den Druckbehälter oder die Traktionsbatterie zu vergrößern, wodurch die Reichweite erhöht wird.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, den großen steifen Hochdruckbehälter (zum Beispiel Wasserstoff-Druckspeicher) zumindest im Crashfall, gegebenenfalls aber auch für Betriebslasten und/oder zur Erhöhung der Karosseriesteifigkeit als Lastpfad zu nutzen, das heißt strukturell in die Karosserie zu integrieren. Dadurch ergibt sich das Potenzial einer hohen Gewichtseinsparung und auch von Packagevorteilen. Speziell ein Druckbehälter des Typs IV unter 700 bar Innendruck kann sehr hohe Lasten tragen, allerdings dürfen die Kräfte nicht lokal in die Druckbehälterstruktur eingeleitet werden.
Die Erfindung gliedert sich in drei nachfolgend erläuterte Hauptaspekte, nämlich die strukturelle Einbindung des Druckbehälters in einen Längscrash-Lastpfad über sogenannte „Druckbehälter-Kalotten“ (später als kalottenförmige Lageraufnahmen bezeichnet), die strukturelle Einbindung des Druckbehälters in einen Seitencrash-Lastpfad über sogenannte Tunnellängsträger sowie die Nutzung von System-Komponenten als Crashlastpfad.
Die gemäß erstem Hauptaspekt verwendeten „Druckbehälter-Kalotten“ sind halbschalenförmige Bauteile, in die der zylinderförmige Druckbehälter an beiden Enden eingeschuht wird. Dabei ist mindestens eine dieser Kalotten geteilt, um eine Montage des Druckbehälters zu ermöglichen. Dabei ist darauf zu achten, dass durch die Einschuhung das Druckbehälter-Ventil in keinem Fall eine größere Belastung erfährt. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass dieser Bereich in der Kalotte ausgespart wird oder einen zusätzlichen Schutz erhält.
Wird die Karosserie in Längsrichtung belastet, zum Beispiel bei einem Front- oder Heckcrash, kommen die Halbschalen weitestgehend flächig zur Anlage an den Enden des Druckbehälters und die Lasten werden in Längsrichtung über den Druckbehälter geleitet. Zusätzlich verhindern die Halbschalen ein Herausfallen des Druckbehälters im Crashfall.
Bezüglich der Befestigung des Druckbehälters an der Karosseriestruktur gibt es zwei grundsätzliche Konzepte: eine Lagerung, die den Längenausdehnung des Druckbehälters zulässt, oder eine starre Anbindung an die Karosserie, die eine Längenausdehnung verhindert. Die Lagerung mit Längenausdehnung kann bevorzugt in einer klassische Fest-Los-Lagerung realisiert sein, bei der die Ventil-Seite des Druckbehälters fest mit der Karosserie verbunden ist (zum Beispiel neck-mounted) und das andere Druckbehälterende über einen Dorn in der Kalotte geführt wird. Eine andere Möglichkeit der Karosserieanbindung ist das sogenannte „belly-mounting“. Dabei wird der Druckbehälter mittels Spannbänder (meist Metall) an der Karosserie befestigt. Die gängige Methode ist, zunächst den Druckbehälter an mehreren Stellen (meist 2-3 Stellen) zu umspannen und dann als Einheit unter die Karosserie zu schrauben. Das erfindungsgemäße Konzept sieht hingegen vor, den zylindrischen Druckbehälter im Mitteltunnel an voraussichtlich drei Stellen direkt gegen die Karosserie zu verspannen. Die innere Lage der Spannbänder wie auch die innere Lage der Widerlager bestehen aus einem elastischen Material, zum Beispiel Silikon, um ein „Atmen“ des Druckbehälters in Umfangrichtung und auch eine Längenausdehnung des Druckbehälters zuzulassen. Die Einspannkraft kann mittels eines Federelements eingestellt werden.
Bei beiden Lagerungsvarianten (das heißt sowohl bei der Fest-Los-Lagerung als auch beim belly-mounting), hat der Druckbehälter im normalen Betriebsfall Freigang zu mindestens einer Halbschale/Kalotte. Im Falle eines Längscrashs deformiert sich die Karosserie, so dass der Freiraum aufgebraucht wird und die Halbschalen auf mindestens einer, eher auf beiden Seiten möglichst formschlüssig zum Anliegen kommen und somit eine weitestgehend flächige Krafteinleitung gewährleistet wird. Der Lastpfad im Längscrash über die Längsträger vorn (hinten), über die Längsträger-Knoten vorn (hinten), von dort aus aufgeteilt in den Schweller und über die Druckbehälter-Kalotten in den Druckbehälter hinüber zur anderen Fahrzeughälfte ist somit aufgebaut.
Bei dieser Art der Anbindung werden im normalen Betriebsfall keine Lasten in bzw. über den Druckbehälter geleitet und die Karosseriesteifigkeit wird nicht bzw. nur geringfügig durch den Druckbehälter erhöht. Das heißt die Karosserieeigenschaften im normalen Betrieb sind weitestgehend unabhängig vom Druckbehälter. Der Druckbehälter wird nur im Crashfall strukturell eingebunden.
Bei der starren Druckbehälter-Anbindung wird der Druckbehälter an beiden Enden fest mit den Druckbehälter-Kalotten, also der Karosseriestruktur, verbunden. Eine Ausdehnung des Druckbehälters in Längsrichtung wird somit nicht zugelassen. Die Ausdehnung des Druckbehälters muss entweder über einen entsprechenden Druckbehälter-Lagenaufbau abgebaut werden oder die durch die Ausdehnung auftretenden Kräfte müssen von der Karosserie (den Druckbehälter-Kalotten) aufgenommen werden oder es tritt eine Kombination aus beidem ein.
Bei der starren Druckbehälter-Anbindung verlaufen die Lastpfade im Längscrash analog wie bei der Fest-Los-Lagerung beschrieben, allerdings ohne zusätzliche freie Crashlänge. Dafür besteht hier die Möglichkeit, auch Betriebslasten über den Druckbehälter aufzunehmen oder auch den Druckbehälter zur Erhöhung der Struktursteifigkeit zu nutzen.
Nachfolgend wird die strukturelle Einbindung des Druckbehälters in einen Seitencrash-Lastpfad über sogenannte Tunnellängsträger gemäß zweitem Hauptaspekt der Erfindung beschrieben: Hierbei wird der Sachverhalt genutzt, dass der zylinderförmige Druckbehälter des Typs IV auch hohe Seitenkräfte aufnehmen kann, solange keine lokalen Belastungen auftreten. Daher sieht hier die Erfindung vor, seitlich auftretende Lasten mittels seitlich neben dem Druckbehälter verlaufender Längsträger, den sogenannten Tunnel-Längsträgern, flächig am Druckbehälter abzustützen. Diese neue Struktur wird gleichzeitig dazu genutzt, den Druckbehälter und die beiden Tröge (das heißt Traktionsbatterie-Trog sowie Brennstoffzellen-Trog) an der Karosserie anzubinden. Somit entfallen hier zusätzlicher Halterstrukturen, was wiederum das Karosseriegewicht reduziert.
Im Seitencrashfall wird eine Last seitlich in den Schweller eingeleitet, der diese in x-Richtung verteilt. Je nachdem ob sich nach dem Schweller einzelne Strukturen als Lastpfade befinden oder ein Block, der die Last weiterleitet, treffen die Lasten lokal oder flächig seitlich auf den Tunnellängsträger. Dieser Tunnellängsträger verteilt wiederum die Lasten in Längsrichtung und kommt dann weitestgehend flächig am Tank zum Anliegen. Dadurch wird verhindert, dass der Druckbehälter lokale Belastungsspitzen erfährt.
Der nachfolgend beschriebene dritte Hauptaspekt der Erfindung betrifft die Einbindung von crashunkritischen Systemkomponenten in den Crashlastpfad am Beispiel eines Wasser-Wasser-Wärmeübertragers und eines Brennstoffzellen-Stapels. Einige Systemkomponenten des Brennstoffzellen-Systems sind sehr steif und wirken im Crashfall blockbildend. Die Erfindung sieht vor, diese „Blockbildner“ als Lastpfade im Crashfall zu nutzen und auf Crashverstärkungen seitens der Karosserie zu verzichten.
Dafür eignen sich beispielsweise Bauteile, die aus mehreren hinter- bzw. übereinandergestapelten Metallplatten bestehen, zum Beispiel ein Wasser-Wasser-Wärmeübertrager. Im Crashfall werden die einzelnen Metallplatten entweder aneinander geschoben und leiten die Last als ein Block weiter oder, im Falle von übereinander angeordneten Platten, leitet jede einzelne dieser Platten einen Teil der Last weiter.
Ein anderes Bauteil, das sich zur Kraftübertragung eignet, ist beispielsweise ein Brennstoffzellen-Stapel. Dieser besteht aus zwei massiven Endplatte und dazwischen liegenden Graphitplatten. Abhängig von der Einbaulage wird die Kraft entweder separat in jede der beiden Endplatten eingeleitet oder - bei gedrehtem Einbau - werden die beiden Endplatten aufeinander zu geschoben, wobei die dazwischenliegenden Graphitplatten sich entweder zusammen schieben oder zerbröseln und den Weg frei geben. Im letzteren Fall wird die Last als ein Block weitergegeben. Bei Anordnung des Brennstoffzellenstapels auf Höhe des Fahrerkopf-Schwerpunkt (in x-Richtung) verhindert der Brennstoffzellen-Block im Falle eines seitlichen Pfahlaufpralls große Intrusionen des Pfahls und trägt somit auch dazu bei, den Überlebensraum des Fahrers zu schützen.
Nachfolgend sind weitere Erfindungsaspekte nochmals im Detail hervorgehoben: So kann der Druckbehälter für eine zusätzliche Lagesicherung mit zumindest einem, den Druckbehälter umspannenden Spannband oder mit zumindest einem Spannbügel an die Karosseriestruktur gesichert sein.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Druckbehälter bauraumgünstig in einem vom Mitteltunnel begrenzten Bauraum angeordnet ist, der entlang einer Fahrzeugmittelachse verläuft. Der Mitteltunnel ist Bestandteil einer herkömmlichen Karosseriestruktur, bei der der Mitteltunnel in der Fahrzeugquerrichtung beidseitig nach fahrzeugaußen in ein Bodenblech übergeht, das sich beidseitig des Mitteltunnels bis zu seitlichen äußeren Schwellern erstreckt. Zur Tunnelverstärkung kann beidseitig am Übergang vom Mitteltunnel zum Bodenblech jeweils ein Tunnellängsträger angeordnet sein. Speziell zur Bereitstellung eines später beschriebenen Querlastpfades ist es bevorzugt, wenn der Druckbehälter zwischen den beiden Tunnellängsträgern angeordnet ist.
In der obigen Karosseriestruktur können die beiden Tunnellängsträger an vorderen Knotenpunkten an einer vorderen Querträger-Baugruppe und an hinteren Knotenpunkten an einer hinteren Querträger-Baugruppe der Karosseriestruktur abschließen. Eine vordere kalottenförmige Lageraufnahme kann im Bereich der vorderen Knotenpunkte karosseriefest montiert sein, während die hintere kalottenförmige Lageraufnahme im Bereich der hinteren Knotenpunkte karosseriefest montiert ist. Bevorzugt kann die vordere Querträger-Baugruppe eine querverlaufende Stirnwand aufweisen, die den Fahrgastraum vom vorderen Motorraum abtrennt und an der die vordere kalottenförmige Lageraufnahme bauteilsteif montiert ist. Demgegenüber kann die hintere Querträger-Baugruppe einen hinteren Querträger aufweisen, an dem die hintere kalottenförmige Lageraufnahme bauteilsteif montiert ist. Zumindest eine der kalottenförmigen Lageraufnahmen kann mehrteilig aufgebaut sein, um eine einfache Druckbehälter-Montage zu gewährleisten. In einer bevorzugten technischen Realisierung können die beiden kalottenförmigen Lageraufnahmen als Gussteile gefertigt sein.
In an sich bekannter Weise ist an einem der Behälterböden des Druckbehälters ein nach außen abragendes Halsstück angeformt, in dem ein Anschlussventil eingesetzt ist, das mit einer Druckleitung eines zugeordneten Betriebssystems verbindbar ist. Die mit dem ventilseitigen Behälterboden zusammenwirkende kalottenförmige Lageraufnahme kann eine Aussparung aufweisen, in der das Anschlussventil des Druckbehälters störkonturfrei einragt.
Im normalen Fahrbetrieb kann zumindest eine der kalottenförmigen Lageraufnahmen mit ihrem Kalottenboden über einen Freigang vom zugewandten Behälterboden (bevorzugt der ventilferne Behälterboden) beabstandet sein. In einem Crashfall kann die beabstandete kalottenförmige Lageraufnahme unter Aufbrauch des Freigangs bis in großflächige Anlage mit dem Behälterboden verlagert werden, um im Crashfall eine flächige Kraftüberleitung zwischen der kalottenförmigen Lageraufnahme und dem Druckbehälter zu gewährleisten, und um ein Herausfallen des Druckbehälters aus der Lagerstelle zu verhindern. Um im Crashfall eine leichtgängige Verlagerung zu gewährleisten, weist der ventilferne Behälterboden des Druckbehälters eine Führungskontur (zum Beispiel einen Führungsdorn) auf, der mit einer Gegenkontur (zum Beispiel einer Führungsöffnung) an der kalottenförmigen Lageraufnahme zusammenwirkt.
Wie oben erwähnt, können zusätzlich zur Lagesicherung konventionelle Spannbänder verwendet werden. Anstelle dessen ist es jedoch bevorzugt, Spannbügel zu verwenden, die den Mitteltunnel in der Fahrzeugquerrichtung überbrücken. Der zumindest eine Spannbügel kann beidseitig des Mitteltunnels an den Tunnellängsträgern montiert sein. Im montierten Zustand kann der Spannbügel den Druckbehälter in der Fahrzeughochrichtung nach oben mit einer vordefinierten Einspannkraft gegen die Unterseite des Mitteltunnels drücken. Zur Einstellung der Einspannkraft kann der Spannbügel unter Zwischenlage eines Federelementes an die Karosseriestruktur (das heißt die Tunnellängsträger) montiert sein. In diesem Fall wird der Spannbügel unter Aufbau einer Federkraft gegen die Karosseriestruktur verspannt.
Je nach Befüllungsgrad kann sich das Längenmaß des Hochdruckbehälters ändern. Um daher solche Längenänderungen des Druckbehälters weitgehend spannungsfrei auszugleichen, ist es bevorzugt, wenn der zur Lagesicherung eingesetzte Spannbügel, das Spannband und/oder die Unterseite des Mitteltunnels an ihren, dem Behältermantel zugewandten Seite eine elastische Materialschicht aufweisen, um solche Ausgleichsbewegungen des Druckbehälters zuzulassen.
Alternativ zu dem weiter oben erwähnten Ausführungsbeispiel können die beiden kalottenförmigen Lageraufnahmen im normalen Fahrbetrieb auch ohne Freigang den Druckbehälter einfassen, das heißt in starrer Anbindung sowie in großflächiger Anlage mit den Behälterböden des Druckbehälters sein.
Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, betrifft die Erfindung bevorzugt ein Fahrzeugkonzept, bei dem in der Fahrzeugquerrichtung betrachtet beidseitig des Mitteltunnels jeweils einerseits Brennstoffzellen-Komponenten und andererseits eine Traktionsbatterie angeordnet sind. Es ist daher (in der Fahrzeugquerrichtung betrachtet) zwischen dem Schweller und dem Tunnellängsträger jeweils ein Bauraum bereitgestellt, in dem zumindest eine Antriebssystemkomponente angeordnet ist, die in einem Seitencrashfall in einem Querlastpfad einbindbar ist. In diesem Fall können seitliche Aufprallkräfte vom crashzugewandten Schweller in die Antriebssystemkomponente, dem crashzugewandten Tunnellängsträger sowie dem Druckbehälter und weiter auf die crashabgewandte Fahrzeugseite geleitet werden.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer Seitenansicht ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit teilweisem Aufriss;
2 die Fahrzeug-Karosseriestruktur in einer Ansicht von unten;
3 eine Detailansicht aus der 1;
4 eine Querschnittsansicht entlang einer yz-Schnittebene aus der 1;
5 eine Ansicht entsprechend der 2 mit eingezeichneten Frontalcrash-Lastpfaden;
6 eine Ansicht entsprechend der 2 mit eingezeichneten SeitencrashLastpfaden;
7 bis 10 jeweils Detailansichten von Antriebssystemkomponenten, die zwischen dem Schweller und dem Tunnellängsträger der Karosseriestruktur verbaut sind und in Seitencrashlastpfaden einbindbar sind.

In der 1 ist ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit teilweisem Aufriss dargestellt, in dem grob vereinfacht die Karosseriestruktur insoweit angedeutet ist, als sie für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge sind im Vorderwagen seitliche Längsträger 1 angeordnet, die frontseitig an einem Frontquerträger 3 abschließen. Die Längsträger 1 sind bis zu einer vorderen Querträger-Baugruppe 5 im Bereich der A-Säule 7 geführt, die unter anderem eine quer verlaufende Stirnwand 9 aufweist, die den Fahrgastraum vom frontseitigen Motorraum abtrennt. Im weiteren Längsverlauf in Richtung Fahrzeugheck schließen sich an die vordere Querträger-Baugruppe 5 seitlich äußere Schweller 11 sowie jeweils Tunnellängsträger 13 an. Diese begrenzen einen Mitteltunnel 15, der sich bis zu einer hinteren Querträger-Baugruppe 17 im Bereich des Fersenblechteils 19 (1 oder 3) erstreckt. Die hintere Querträger-Baugruppe 17 weist einen zweigeteilten hinteren Querträger 21 auf, dessen Querträgerteile von einer später beschriebenen hinteren kalottenförmigen Lageraufnahme 23 verbunden sind, die den Mitteltunnel 15 in der Fahrzeugquerrichtung y überbrückt.
Die hintere kalottenförmige Lageraufnahme 23 bildet zusammen mit einer vorderen kalottenförmigen Lageraufnahme 25 eine karosserieseitige Lagerstelle, die die stirnseitig nach außen gewölbten Behälterböden 27, 29 eines Druckbehälters 31 einfassen. Die vordere kalottenförmige Lageraufnahme 25 ist gemäß der 1 oder 3 exemplarisch an der Stirnwand 9 der vorderen Querträger-Baugruppe 5 montiert, während die hintere kalottenförmige Lageraufnahme 23 zwischen den beiden Querträgerteilen des hinteren Querträgers 21 der hinteren Querträger-Baugruppe 17 montiert ist.
Der Druckbehälter 31 ist zusammen mit einer Traktionsbatterie 33 sowie weiterer Brennstoffzellen-Systemkomponenten (das heißt den Brennstoffzellenstapel 35 sowie einem Wasser-Wasser-Wärmeübertrager 37) Bestandteil des Brennstoffzellen-Systems. Wie aus der 2 hervorgeht, sind die obigen Komponenten allesamt unterflurig am Fahrzeugboden verbaut, wobei die Traktionsbatterie 33 an der linken Fahrzeugseite zwischen dem Schweller 11 und dem linken Tunnellängsträger 13 positioniert, während die Brennstoffzellen-Komponenten 35, 37 an der rechten Fahrzeugseite zwischen dem Schweller 11 und dem rechten Türlängsträger 13 positioniert sind.
In der 3 ist die hintere kalottenförmige Lageraufnahme 23 in großflächiger Anlage mit einem ventilseitigen Behälterboden 29. In der hinteren kalottenförmigen Lageraufnahme 23 ist zudem eine Aussparung 39 ausgebildet, in die ein Anschlussventil 41 des Druckbehälters 31 störkonturfrei einragen kann. Das Anschlussventil 41 ist über eine angedeutete Druckleitung 43 mit dem Brennstoffzellen-System verbunden. In der 3 ist der ventilferne linke Behälterboden 27 über einen Freigang Δx von dem Kalottenboden 45 der vorderen kalottenförmigen Lageraufnahme 25 beabstandet. Zudem ist am ventilfernen Behälterboden 27 ein Führungsdorn 47 ausgebildet, der spielbehaftet durch eine Führungsöffnung 49 der vorderen kalottenförmigen Lageraufnahme 25 ragt. Bei einem Frontalcrash oder Heckcrash kann die vordere kalottenförmige Lageraufnahme 25 unter Aufbrauch des Freigangs Δx in großflächige Anlage mit dem ventilfernen Behälterboden 27 verlagert werden, um eine flächige Kraftüberleitung nach fahrzeughinten bzw. nach fahrzeugvorne zu gewährleiten.
Alternativ zur 3 können jedoch auch sowohl die vordere als auch die hintere kalottenförmige Lageraufnahme 23, 25 ohne Freigang, sondern in starrer Anbindung in großflächiger Anlage mit den Behälterböden 27, 29 des Druckbehälters 31 sein.
Zur zusätzlichen Lagesicherung sind insgesamt drei Spannbügel 51 bereitgestellt, die den zylindrischen Behältermantel 53 des Druckbehälters 31 umspannen. Der in der 4 gezeigte Spannbügel 51 überbrückt den Mitteltunnel 15 in der Fahrzeugquerrichtung y und ist beidseitig des Mitteltunnels 15 an den Tunnellängsträgern 13 montiert. In der 4 drückt der Spannbügel 51 den Druckbehälter 31 in der Fahrzeughochrichtung z nach oben mit einer vordefinierten Einspannkraft F_E unmittelbar gegen die Unterseite des Mitteltunnels 15. Zur Einstellung der Einspannkraft F_E ist der Spannbügel 51 unter Zwischenlage zumindest eines Federelementes 56 an dem Tunnellängsträger 13 verspannt.
Zudem weist in der 4 sowohl der Spannbügel 51 als auch die Unterseite des Mitteltunnels 15 an ihren, dem Behältermantel 53 zugewandten Seiten eine elastische Materialschicht 55 auf, um geringfügige Ausgleichsbewegungen des Druckbehälters 31 zu ermöglichen.
In der 5 ist der Längslastpfad L_x eingezeichnet, die sich bei einem Frontalcrash oder einem Heckcrash ergeben. Der im Frontalcrash gebildete Längslastpfad L_x erstreckt sich über die vorderen Längsträger 1 nach fahrzeughinten und gabelt sich im Bereich der vorderen Querträger-Baugruppe 5 an vorderen Knotenstellen in Richtung der seitlichen Schweller 11, der mittleren Tunnellängsträger 15 sowie der vorderen kalottenförmigen Lageraufnahme 25 auf. Somit wird ein Teil der Aufprallenergie über die vordere kalottenförmige Lageraufnahme 25 in den Druckbehälter 31 eingeleitet und über die hintere kalottenförmige Lageraufnahme 23 in die hintere Querträger-Baugruppe 17 weitergeleitet.
Die sich im Heckcrashfall ergebenden Längslastpfade sind identisch, jedoch mit umgekehrter Wirkrichtung. In diesem Fall werden die Heckcrashkräfte über hintere Längsträger 57 in die hintere Querträger-Baugruppe 17 eingeleitet. Ausgehend von der hinteren Querträger-Baugruppe 17 wird ein Teil der Aufprallenergie über die hintere kalottenförmige Lageraufnahme 23 und dem Druckbehälter 31 nach fahrzeugvorne weitergeleitet.
In der 6 ist ein Seitencrashfall gezeigt, bei dem ein Querlastpfad L_y gebildet wird. In dem Querlastpfad L_y werden die Seitenaufprallkräfte zunächst in den crashzugewandten Schweller 11 eingeleitet. Dieser verteilt die eingeleitete Last in der x-Richtung. Nach dem crashzugewandten Schweller 11 wirken einzelne Strukturen, das heißt die Antriebssystemkomponenten 35, 37, als Lastpfade, die die Lasten weiterleiten. Die Lasten treffen lokal oder flächig seitlich auf den crashzugewandten Tunnellängsträger 15. Dieser verteilt wiederum die Lasten in der x-Richtung und kommt dann weitestgehend flächig am Druckbehälter 31 zum Anliegen. Dadurch wird verhindert, dass der Druckbehälter lokale Belastungsspitzen erfährt.
In den 7 bis 10 sind crashunkritische Systemkomponenten (das heißt ein Wasser-Wasser-Wärmeübertragers 37 und ein Brennstoffzellen-Stapel 35) so verbaut, dass sie im Seitencrashfall in den Crashlastpfad einbindbar sind. Diese Systemkomponenten sind sehr bauteilsteif und wirken im Crashfall blockbildend. Wie aus der 7 angedeutet hervorgeht, ist der Wasser-Wasser-Wärmeübertragers 37 aus mehreren hinter- bzw. übereinandergestapelten Metallplatten aufgebaut. Im Crashfall werden die einzelnen Metallplatten entweder aneinander geschoben und leiten die Last als ein Block weiter oder, im Falle von übereinander angeordneten Platten (8), leitet jede einzelne dieser Platten einen Teil der Last weiter.
Ein anderes Bauteil, das sich zur Kraftübertragung eignet, ist der Brennstoffzellenstapel 35. Dieser besteht gemäß den 9 und 10 aus zwei massiven Endplatten 59 und dazwischen liegenden Graphitplatten 61. Abhängig von der Einbaulage wird die Kraft entweder separat in jede der beiden Endplatten 59 eingeleitet (10) oder - bei gedrehtem Einbau - werden die beiden Endplatten 59 aufeinander zu geschoben (9), wobei die dazwischenliegenden Graphitplatten 61 sich entweder zusammenschieben oder zerbröseln und den Weg frei geben. Im letzteren Fall wird die Last als ein Block weitergegeben.
Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung des Wasser-Wasser-Wärmeübertragers 37 und des Brennstoffzellen-Stapels 35 beschränkt ist. Vielmehr sind anstelle dessen auch andere crashunkritische und steife Komponenten als Lastübertrager in den Crashlastpfad einbindbar.
Darüber hinaus ist die Verwendung des Tunnellängsträger 15 als Lastverteiler im Seitencrash (Lastpfad Ly gemäß der 6) hervorzuheben. Dies wird oben anhand der 6 beschrieben, in der beispielhaft ein Seitencrashfall gezeigt ist, bei dem der Querlastpfad L_y gebildet wird.
Bezugszeichenliste

1: vordere Längsträger
3: Front-Querträger
5: vordere Querträger-Baugruppe
7: A-Säule
9: Stirnwand
11: Schweller
13: Tunnellängsträger
15: Mitteltunnel
17: hintere Querträger-Baugruppe
19: Fersenblechteil
21: hinterer Querträger
23: hintere kalottenförmige Lageraufnahme
25: vordere kalottenförmige Lageraufnahme
27, 29: Behälterböden
31: Druckbehälter
33: Traktionsbatterie
35: Brennzellenstapel
37: Wasser-Wasser-Wärmeübertrager
39: Aussparung
41: Anschlussventil
43: Druckleitung
45: Kalottenboden
47: Führungsdorn
49: Führungsöffnung
51: Spannbügel
53: zylindrischer Behältermantel
55: elastische Materialschicht
56: Federelement
57: hintere Längsträger
L: Lastpfad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008051786 A1 [0002, 0003]

Claims

Karosseriestruktur für ein Fahrzeug, in der ein Druckbehälter (31) verbaut ist, der einen zylindrischen Behältermantel (53) aufweist, der an axial gegenüberliegenden Seiten jeweils mit nach außen gewölbten Behälterböden (27, 29) geschlossen ist, wobei der Druckbehälter (31) an zumindest einer karosserieseitigen Lagerstelle an die Karosseriestruktur angebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die karosserieseitige Lagerstelle halbschalenförmige oder kalottenförmige Lageraufnahmen (23, 25) aufweist, die die nach außen gewölbten Behälterböden (27, 29) des Druckbehälters (31) einfassen, und dass die karosserieseitige Lagerstelle in einem Lastpfad (L_x) einbindbar ist, mit dem im Crashfall, in Betriebslastfällen und/oder zur Erhöhung der Karosseriesteifigkeit Kräfte übertragbar sind.
Karosseriestruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (31) für eine zusätzliche Lagesicherung mit zumindest einem, den Druckbehälter (31) umspannenden Spannband oder mit zumindest einem Spannbügel (51) an die Karosseriestruktur gesichert ist.
Karosseriestruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (31) in einem, von einem Mitteltunnel (15) begrenzten Bauraum angeordnet ist, der entlang einer Fahrzeugmittelachse verläuft, und dass insbesondere der Mitteltunnel (15) in der Fahrzeugquerrichtung (y) beidseitig nach fahrzeugaußen in ein Bodenblech übergeht, das sich beidseitig des Mitteltunnels (15) bis zu seitlich äußeren Schwellern (11) erstreckt, und dass beidseitig am Übergang vom Mitteltunnel (15) zum Bodenblech jeweils ein Tunnellängsträger (13) angeordnet sind, und dass insbesondere zwischen den beiden Tunnellängsträgern (13) der Druckbehälter (31) angeordnet ist.
Karosseriestruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnellängsträger (13) an vorderen Knotenpunkten (K1) an einer vorderen Querträger-Baugruppe (5) und an hinteren Knotenpunkten (K2) an einer hinteren Querträger-Baugruppe (17) der Karosseriestruktur abschließt, und dass eine (25) der kalottenförmigen Lageraufnahmen im Bereich der vorderen Knotenpunkte (K1, K2) karosseriefest montiert ist und die andere kalottenförmige Lageraufnahme (23) im Bereich der hinteren Knotenpunkte (K2) karosseriefest montiert ist.
Karosseriestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der kalottenförmigen Lageraufnahmen (23, 25) mehrteilig aufgebaut ist, um eine einfache Druckbehälter-Montage zu gewährleisten.
Karosseriestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einem de rausgebauchten Behälterböden (27, 29) des Druckbehälters (31) ein Anschlussventil (41) abragt, das mit einer Druckleitung (43) eines zugeordneten Betriebssystems verbindbar ist, und dass die mit dem ventilseitigen Behälterboden (29) zusammenwirkende kalottenförmige Lageraufnahme (25) eine Aussparung (39) aufweist, in die das Ventil (41) störkonturfrei einragt.
Karosseriestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im normalen Fahrbetrieb zumindest eine (25) der kalottenförmigen Lageraufnahmen mit ihrem Kalottenboden (45) über einen Freigang (Δx) vom zugewandten Behälterboden (27) beabstandet ist, und dass in einem Crashfall die kalottenförmige Lageraufnahme (25) unter Aufbrauch des Freigangs (Δx) in großflächige Anlage mit dem Behälterboden (27) verlagert wird, um eine flächige Kraftüberleitung zwischen der kalottenförmigen Lageraufnahme (25) und dem Druckbehälter (31) zu gewährleisten und um ein Herausfallen des Druckbehälters (31) aus der Lagerstelle zu verhindern.
Karosseriestruktur nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere der ventilferne Behälterboden (27) des Druckbehälters (31) eine Führungskontur, insbesondere einen Führungsdorn (47) aufweist, der mit einer Gegenkontur, insbesondere einer Führungsöffnung (49) an der kalottenförmigen Lageraufnahme (25) zusammenwirkt, um im Crashfall eine einwandfreie Verlagerung der kalottenförmigen Lageraufnahme (25) in Anlage mit dem Behälterboden (27) zu gewährleisten.
Karosseriestruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagesicherung des Druckbehälters (31) der Spannbügel (51) den Mitteltunnel (15) in Fahrzeugquerrichtung (y) überbrückt und insbesondere beidseitig des Mitteltunnels (15) an den Tunnellängsträgern (13) montiert ist, und dass der Spannbügel (51) den Druckbehälter (31) in der Fahrzeughochrichtung (z) nach oben mit einer Einspannkraft (F_E) gegen die Unterseite des Mitteltunnels (15) drückt.
Karosseriestruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Einspannkraft (F_E) der Spannbügel (51) unter Zwischenlage eines Federelements an die Karosseriestruktur montiert ist, wobei insbesondere der Spannbügel (51) unter Aufbau einer Federkraft gegen die Karosseriestruktur verspannt wird.
Karosseriestruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannbügel (51), das Spannband und/oder die Unterseite des Mitteltunnels (15) an ihren dem Behältermantel (53) zugewandten Seiten eine elastische Materialschicht (55) aufweisen, um geringfügige Ausgleichsbewegungen des Druckbehälters (31) zu ermöglichen.
Karosseriestruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Fahrzeugquerrichtung (y) betrachtet zwischen dem Schweller (11) und dem Tunnellängsträger (13) ein Bauraum bereitgestellt ist, in dem zumindest eine Antriebssystemkomponente angeordnet ist, etwa ein Brennstoffzellenstapel (35), eine Traktionsbatterie (33) und/oder ein Wasser-Wasser-Wärmeübertrager (37), und dass in einem Seitencrashfall ein Querlastpfad (L_y) gebildet ist, in dem die Aufprallkräfte vom crashzugewandten Schweller (11) in die Antriebssystemkomponente (33, 35, 37), den crashzugewandten Tunnellängsträger (13) und dem Druckbehälter (31) weiter auf die crashabgewandte Fahrzeugseite geleitet werden.