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Die Erfindung betrifft einen Front-Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug mit einem von einem Kühlmedium durchströmten und/oder durchströmbaren Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der gattungsbildenden
US 2 260 578 A ist ein Front-Stoßfänger bekannt geworden, in dem ein von einem Kühlmedium durchströmter und/oder durchströmbarer Kühler angeordnet ist, wobei ein Lüfter hinter dem Kühler angeordnet ist, um Luft durch den Kühler zu saugen.
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Die
DE 38 41 536 A1 betrifft eine Anordnung und Ausgestaltung eines Wärmetauschers für ein mit Kühlluft umströmtes Medium in einem Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Ladeluftkühler einer mit einem Abgasturbolader versehenen Brennkraftmaschine, wobei in baulich und herstellungstechnisch günstiger Weise der Wärmetauscher in einen zwei Rahmenlängsholme der Karosserie des Kraftfahrzeuges verbindenden Querträger integriert ist.
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Ein luftgekühltes Frontkühlermodul für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine gemäß der
DE 102 09 237 A1 weist einen oder mehrere Kühlernetze auf. Diese Kühlernetze besitzen Rohre und dienen als Wärmetauscher. Sie werden jeweils von einem Kühlmedium durchströmt und außen von Kühlluft angeströmt. Ferner sind ein oder mehrere Lüfter mit Lüfterantrieben vorgesehen. Der Lüfterantrieb des oder der Lüfter ragt in wenigstens eines der Kühlernetze hinein. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Lüfterantrieb dabei in einem Bereich, der im Windschatten eines Stoßfängers liegt. Die Rohre des Kühlernetzes sind in diesem Bereich ausgespart.
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In heutigen Fahrzeugen ist typischerweise ein Stoßfänger in die Endstruktur im Bereich der Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs integriert. Neben grundlegenden strukturellen Anforderungen, wie der Torsionsteifigkeit im Frontbereich oder NVH-Zielsetzungen (Noise Vibration Harshness, d.h. das Verhalten des Kraftfahrzeugs bei hör- oder spürbaren Schwingungen) sind das Verhalten bei der Lastaufnahme bzw. die Verformung und Festigkeit bei einem Fahrzeugaufprall und dem daraus resultierenden Insassenschutz sehr wichtig. Die Stoßfängeranordnung selbst muss unter anderem Anforderungen bezüglich des Beschädigungsverhaltens bei niedrigen und bei hohen Geschwindigkeiten gerecht werden. Der wesentliche Beitrag des Stoßfängers, der länglich ausgebildet ist und horizontal zum Untergrund im Bereich der Fahrzeugfront verläuft, besteht darin, die Aufprallkraft bzw. die Aufprallenergie bei einem Frontalaufprall zu absorbieren und die daraus resultierende Belastung in die Längsträger des Motorraums abzuleiten. Damit sollen Beschädigungen des oder im Bereich des Motorraums vermieden werden. Typischerweise ist der Stoßfänger hinsichtlich seiner äußeren Form/Geometrie mit einem einstückigen Design ohne jegliche Öffnungen ausgebildet, wobei der Stoßfänger den Luftstrom, der im Bereich der Fahrzeugfront ankommt, abblockt und zum Umströmen des Stoßfängers zwingt. Diese Abweichungen von der natürlichen und unbeeinflussten Luftstromrichtung verursacht eine wesentliche Verschlechterung der Effizienz im Kühlverhalten. Der Grund für die Verschlechterung der Effizienz im Kühlverhalten liegt auch in der Reduktion der frontalen Öffnungsfläche, durch welche die Wärmetauscher zur Kühlung mit Luft versorgt werden.
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In Anwendungen mit einem aktiven Kühlergrill ist die Oberfläche hinter dem Stoßfänger durch eine Plastikausstanzung blockiert. Dies verursacht einen größeren Druckverlust für den während der Fahrt an der Fahrzeugfront anliegenden Überdruck (RAM-Air) und verringert den Luftstrom durch die Kühlanordnung. Zusätzlich zielt eine verbesserte Aerodynamik auf kleine Öffnungen im Frontkühler ab, um den Luftwiderstand zu minimieren. Außerdem muss die Abmessung des Stoßfängers bezüglich der Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) ausreichend dimensioniert sein, um die Anforderungen an eine vorgegebene mechanische Festigkeit zu erfüllen. Dies führt typischerweise zu einem ungenutzten Hohlraum oder Hohlabschnitt im Stoßfänger, womit wiederum Stauraum beansprucht und eine Verkürzung des Vorderwagenüberhangs verhindert wird. Die Entwicklung bauraumeffizienter Fahrzeuge wird damit erschwert.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Anordnungen für frontale Stoßfängereinrichtungen und Einrichtungen zur Kühlung eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen.
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Die
US 9 327 592 B2 offenbart eine vordere Stoßfängeranordnung, die am vorderen Ende der Karosserie angebracht ist. Entlang einer Mittelachse des Querträgers ist ein Kanal ausgespart, in dem ein Wärmetauscher der Stoßfängeranordnung angeordnet ist. Der Wärmetauscher dient dazu, Wärme von einem durch den Wärmetauscher hindurch umgewälzten Fluid an eine über den Wärmetauscher hinwegströmende Luftströmung abzugeben. Hierfür sind zusätzlich an einer dem Motorraum zugewandten Seite des Stoßfängers Durchbrechungen für den Luftstrom vorgesehen.
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Die
US 7 011 360 B2 zeigt eine Fahrzeugfront, welche einen Stoßfänger und einen Wärmetauscher aufweist. Dabei kann der Wärmetauscher unterhalb des Stoßfängers angeordnet und im Wesentlichen vertikal ausgerichtet werden. Der Wärmetauscher weist oberseitig eine im Wesentlichen horizontal ausgerichtete Wandung auf, die zusätzlich derart ausgeformt ist, dass sie bündig an eine Unterseite des Stoßfängers angelegt werden kann.
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In der
US 4 902 059 A ist ein Stoßfängersystem offenbart, welches zusätzlich zum Kühlergrill zur Motorkühlung beitragen kann. Hierfür kann das Stoßfängersystem aus zwei hohlen Querträgern bestehen, die vom Kühlmedium zur Motorkühlung durchströmbar sind. Durch ein Ventil lässt sich die Kühlung des Stoßfängersystems je nach Bedarf zu- oder wegschalten.
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Die
KR 10 2012 0 026 177 A betrifft einen Plattenwärmetauscher, der in einem Stoßfänger mittig zwischen zwei Querträgerabschnitten angeordnet ist. In diesem Plattenwärmetauscher wird ein erstes Kühlmedium durch Wasser als zweites Kühlmedium gekühlt. Der Wärmetauscher erfüllt keine strukturgebende Funktion. Die Wärmeübertragung findet im Wesentlichen im Inneren des Plattenwärmetauschers zwischen den beiden Kühlmedien statt. Die Abkühlung des zweiten Kühlmediums geschieht in einem Luft-Kühlmedium-Wärmetauscher (LTR) konventionell im Kühlpaket. Hierfür sind an der Außenseite des Wärmetauschers Kühlrippen angeordnet, die einen geringen Teil der Wärme an die Umgebungsluft abgeben.
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Der aufgezeigte Stand der Technik bietet noch Raum für Verbesserungen. Insbesondere vermögen es die im Stand der Technik aufgezeigten Lösungen nicht, eine effektive, d.h. insbesondere eine bauraumeffiziente Wärmeabfuhr aus den zu kühlenden Fahrzeugsystemen an die Umgebungsluft bereitzustellen. Durch die fehlende optimale Ausnutzung der Fläche des Front-Stoßfängers vermögen es die Lösungen im Stand der Technik damit nicht, den Vorderwagenüberhang zu reduzieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bauraumnutzung zu verbessern und eine in den Front-Stoßfänger integrierte Einrichtung zur Kühlung eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, die eine möglichst große Wärmeaustauschfläche bereitstellt und zusätzlich die Stabilität des Front-Stoßfängers im Falle eines Fahrzeugaufpralls verbessert.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Front-Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug mit einem von einem Kühlmedium durchströmten und/oder durchströmbaren Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die abhängigen Unteransprüche.
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Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich. „Horizontal“ heißt, dass bspw. die Platten des Wärmetauschers im Wesentlichen in x-Richtung und y-Richtung parallel zum Untergrund verlaufen. „Vertikal“ heißt, dass bspw. Platten des Wärmetauschers im Wesentlichen in z-Richtung, also senkrecht zu dem Untergrund des Kraftfahrzeugs verlaufend, übereinander angeordnet werden. Nachfolgend wird zur besseren Verständlichkeit davon ausgegangen, dass der Front-Stoßfänger in einem Kraftfahrzeug verbaut ist und sich das Kraftfahrzeug in eine Vorwärtsrichtung bewegt. Von der Anmeldung sind aber ausdrücklich auch Front-Stoßfänger bspw. in einem stehenden Kraftfahrzeug oder im ausgebauten Zustand umfasst. Erfindungsgemäß können Front-Stoßfänger und Wärmetauscher auch in einem beliebigen Winkel zwischen 0° und 45° um die Fahrzeugquerachse oder die Fahrzeughochachse gedreht angeordnet sein. Zudem können der Front-Stoßfänger und der Wärmetauscher eine dreidimensionale gebogene Form aufweisen, welche sich z.B. der Fahrzeugkontur anpasst.
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Die Erfindung betrifft einen Front-Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug, wobei der Front-Stoßfänger länglich zum Verlauf im Bereich einer Fahrzeugfront ausgebildet ist und zur Montage an eine Fahrzeugkarosserie, insbesondere an mindestens einen Längsträger, des Kraftfahrzeugs geeignet ist. Ferner weist der Front-Stoßfänger einen von einem fluiden Kühlmedium, von einem Kühlmediumeinlass hin zu einem Kühlmediumablass, durchströmten und/oder durchströmbaren Wärmetauscher auf. Zudem ist der Wärmetauscher zum Kühlen des fluiden Kühlmediums mit einem Luftstrom, insbesondere einem Luftstrom aus der Umgebung, direkt durchströmt oder direkt durchströmbar.
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Der Wärmetauscher ist mit einer inneren Struktur aus Luftkanälen oder sonstigen Zwischenräumen ausgebildet, die eine direkte Durchströmung mit Luft, insbesondere Umgebungsluft ermöglichen. Zur Erzeugung des Luftstroms kann auch eine aktive Kühlung mittels Motorlüfter eingesetzt werden. Der Stoßfänger weist für die Durchströmung von Luft vorzugsweise horizontal ausgerichtete Öffnungen auf, die in Fahrtrichtung nach vorne weisen, wobei diese horizontalen Öffnungen zur Funktion im Wärmetauscher vorgesehen sind. Alternativ können die Öffnungen auch gegenüber der horizontalen Ausrichtung mit einem Winkel angestellt sein. Durch die Anordnung einer inneren Struktur mit Durchströmungsmitteln für Umgebungsluft im Wärmetauscher kann einerseits die Wärmeaustauschfläche für eine Wärmeabfuhr an die Umgebungsluft gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Kühlpaketen, mit luftundurchlässigem Stoßfänger vor dem Kühlpaket, deutlich vergrößert werden. Dies verbessert die Kühlleistung für verschiedene Fahrzeugsysteme, z.B. den Motor, Antrieb, Fahrzeugbatterie, sonstige Elektronik, insbesondere Starkstromelektronik, Wärmepumpensysteme und/oder Klimasysteme bzw. andere zu kühlende Fahrzeugsysteme. Gleichzeitig erhöht diese innere Struktur die Steifigkeit des Wärmetauschers, weshalb der Wärmetauscher neben der Wärmeabfuhr gleichzeitig die Funktion des Stoßfängers zur Absorption von Kraft oder Energie bei einem Fahrzeugaufprall übernehmen kann. Damit wird die Kühlleistung gegenüber einer herkömmlichen Kühlanordnung verbessert. Alternativ oder zusätzlich übernimmt der Stoßfänger die zwei Funktionen des Stoßauffangs und der Fahrzeugkühlung, womit bislang benötigter Platz im Frontbereich des Kraftfahrzeugs frei wird und der Vorderwagenüberhang des Kraftfahrzeugs verkürzt werden kann. Insgesamt benötigter Platz im Bereich der Fahrzeugfront kann durch die optimale Ausnutzung des bislang ungenutzten Platzes im Stoßfänger damit eingespart werden. In anderen Worten, gegenüber vorbekannten Stoßfängern kombiniert die Erfindung die Schutzfunktion beim Fahrzeugaufprall und die Fahrzeugkühlung zu einem Hybridbauteil.
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Grundsätzlich kann der Wärmetauscher aus Flachrohren bzw. Platten in Verbindung mit Rippen oder auch aus Rohren in Verbindung mit Rippen bestehen. Die Rohre, Flachrohre oder Platten bestehen aus Metall, bspw. Aluminium, oder Kunststoff. Die Rohre oder sonstigen Leitungen des Wärmetauschers werden intern von einem Medium, insbesondere einem Kühlmedium, durchströmt, welches Wärme aus dem Wärmetauscher an die Umgebungsluft überträgt. Das Prinzip funktioniert grundsätzlich wie bei konventionellen Wärmetauschern in einem Kraftfahrzeug. Die Leitungen des Wärmetauschers können den Stoßfänger horizontal von links nach rechts oder umgekehrt durchqueren. Alternativ können die Leitungen des Wärmetauschers den Stoßfänger vertikal, also von oben nach unten oder umgekehrt, durchqueren. Denkbar ist beispielsweise die Fertigung mit 3D-gedruckten Elementen, wobei die Rundrohre vertikal verlaufen und die Luftstromplatten horizontal angeordnet sind. Die Leitungen legen die mechanischen Eigenschaften des Stoßfängers durch ihre Dimensionen, ihre Wandstärken und ihre Anzahl fest. Das Kühlmedium im Inneren des Wärmetauschers ist fluid, also flüssig, gasförmig oder eine Mischung der beiden vorgenannten Aggregatszustände.
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Der Wärmetauscher weist eine oder mehrere von dem Kühlmedium durchströmte oder durchströmbare Wärmetauscherplatten und eine oder mehrere von dem Luftstrom durchströmte oder durchströmbare Luftstromplatten auf, wobei die Wärmetauscherplatten und die Luftstromplatten Schichten des Wärmetauschers ausbilden. Es ist dabei eine Herstellung des gesamten Stoßfängersystems im 3D-Druck möglich. Bei der Herstellung im 3D-Druck würde ein modularer Aufbau wegfallen, da dann das Stoßfängersystem, einschließlich Wärmetauscher, aus einer einzigen einstückigen Monokomponente bestehen kann.
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Der Wärmetauscher ist gemäß der Erfindung also ein, vorzugsweise in Richtung der Fahrzeughochachse, verlaufender Stapel aus mehreren Schichten, wobei die Schichten von dem Kühlmedium durchströmte Wärmetauscherplatten und eine oder mehrere von dem Luftstrom durchströmte Luftstromplatten sind. Das Kühlmedium wird, nachdem es zuvor in dem zu kühlenden Fahrzeugsystem Wärme aufgenommen hat, durch die Wärmetauscherplatten geführt. Diese Wärmetauscherplatten können interne Strukturen zur Erzeugung von Turbulenzen oder sonstige interne Kanäle aufweisen. Grundsätzlich sind alle Strukturen denkbar, die aus Kondensator-Plattenwärmetauschern bekannt sind. Die horizontale Ausrichtung der Plattenebene sowohl von Wärmetauscherplatten, als auch von Luftstromplatten bewirkt eine besonders gegenüber Biegung und/oder Torsion stabile Anordnung im Falle eines Fahrzeugaufpralls. Der Wärmetauscher übernimmt die Funktion des Stoßfängers zur Erzeugung der Steifigkeit im vorderen Fahrzeugteil. Je nach Fahrzeugtyp kann auch durch die Vergrößerung der Plattenebene oder die Erhöhung der Plattenanzahl die Kühlleistung angepasst werden.
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In einer optionalen Weiterbildung sind die Wärmetauscherplatten und die Luftstromplatten alternierend, bspw. horizontal, vertikal oder gegenüber der horizontalen Ausrichtung mit einem Winkel angestellt ausgerichtet, geschichtet angeordnet und mit einem wärmeleitenden Material untereinander verbunden.
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Die alternierende der Anordnung von Wärmetauscherplatten und Luftstromplatten, bzw. die abwechselnde Übereinanderschichtung maximiert für ein gegebenes Gesamtvolumen des Wärmetauschers die Wärmeaustauschfläche für eine Abgabe von Wärme an die Umgebungsluft. Die Wärmetauscherplatten und die Luftstromplatten werden mit einem stark wärmeleitenden Material, z.B. einer Wärmeleitpaste oder einem sonstigen Kleber, miteinander verbunden.
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Vorzugsweise ist der Wärmetauscher einstückig als Monokomponente mit Wärmetauscherplatten und Luftstromplatten ausgebildet. Das heißt, der Wärmetauscher kann mittels additiver Fertigung, beispielsweise im 3D-Druck hergestellt sein.
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Bevorzugt weisen die ein oder mehreren Luftstromplatten des Wärmetauschers ein oder mehrere Kühlrippen auf.
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Zur weiteren Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche können in den Luftstromplatten Kühlrippen angeordnet sein. Die Kühlrippen sind Bestandteil der inneren Struktur des Wärmetauschers aus Luftkanälen oder sonstigen Zwischenräumen. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Kühlrippen bilden Durchgänge für den Luftstrom an Umgebungsluft zur Abfuhr von Wärme aus den Wärmetauscherplatten. Die Kühlrippen dienen damit sowohl zur Wärmeübertragung an die durchströmende Luft, als auch zur Erzeugung der Biegesteifigkeit und der Kraftaufnahme-Struktur des Stoßfängers im Falle eines Fahrzeugaufpralls. Die Kühlrippen können sozusagen eine Aufprall-optimierte Formgebung besitzen, welche im Falle einer frontalen Einwirkung die Last des Fahrzeugaufpralls mit aufnehmen.
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Vorzugsweise weisen die ein oder mehreren Luftstromplatten des Wärmetauschers jeweils eine erste oder obere Kühlplatte und eine zweite oder untere Kühlplatte auf und die ein oder mehreren Kühlrippen bilden eine Stützstruktur zwischen der ersten oder oberen Kühlplatte und der zweiten oder unteren Kühlplatte aus.
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Die Kühlrippen können also zwischen zwei flachen Platten bspw. durch Verlöten integriert sein. Alternativ können die Kühlrippen bspw. zunächst einstückig mit der ersten oder oberen Kühlplatte ausgebildet und anschließend die von der ersten oder oberen Kühlplatte beabstandeten Enden der Kühlrippen mit der zweiten oder unteren Kühlplatte verlötet werden. Die so gefertigten Luftstromplatten sind sehr einfach für die weitere Montage des Wärmetauschers handhabbar. So können bspw. auf den, den Kühlrippen abgewandten Seiten der Kühlplatten eine Wärmeleitpaste aufgetragen und Wärmetauscherplatten anschließend zur Ausbildung eines Stapels bündig angelegt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher an dem Kühlmediumeinlass des Kühlmediums in den Wärmetauscher einen ersten Endtank oder Kühlmittelverteiler zum Aufteilen des Kühlmediums auf ein oder mehrere Teilströme innerhalb des Wärmetauschers und an dem Kühlmediumablass des Kühlmediums aus dem Wärmetauscher einen zweiter Endtank oder Kühlmittelsammler zum Sammeln der ein oder mehreren Teilströme des Kühlmediums auf.
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Eine Wärmetauscherplatte ist länglich ausgebildet, wobei Kühlmediumeinlass und Kühlmediumablass vorzugsweise bezüglich der Längsrichtung der Wärmetauscherplatte im Bereich der Endabschnitte angeordnet sind. Kühlmediumeinlass und Kühlmediumablass weisen jeweils Anschlüsse auf, welche mit Leitungen oder Schläuchen zur Zufuhr und Abfuhr von flüssigem, fluidem oder gasförmigem Kühlmedium verbunden sind. Das flüssige, fluide oder gasförmige Kühlmedium wird also am Kühlmediumeinlass in den Wärmetauscher entsprechend der Anzahl der Wärmetauscherplatten und/oder gegebenenfalls sonstigen Kühlleitungen auf die gleiche Anzahl Teilströme aufgeteilt. Am Kühlmediumeinlass ist hierfür ein entsprechender erster Endtank als Kühlmediumverteiler angeordnet. Sind die Wärmetauscherplatten unterschiedlich dimensioniert, so können auch die Teilstrommengen unterschiedlich ausfallen. Am Kühlmediumablass werden die Teilströme aus den Wärmetauscherplatten und/oder sonstigen Kühlleitungen wieder zu einem Gesamtstrom an Kühlmedium vereinigt. Am Kühlmediumablass ist hierfür ein entsprechender zweiter Endtank als Kühlmediumsammler angeordnet. Die Anschlüsse der übereinanderliegenden Wärmetauscherplatten werden also je Seite in einem Endtank zusammengeführt, aus dem das Kühlmedium aufgeteilt bzw. gesammelt wird. Die Anschlüsse bzw. Verbindungen zwischen dem ersten Endtank und den Wärmetauscherplatten und dem zweiten Endtank und den Wärmetauscherplatten sind vorzugsweise bezüglich der Fahrzeughochachse übereinander angeordnet.
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Alternativ können die Wärmetauscherplatten in Reihe geschaltet sein, sodass ein gesammelter Strom an Kühlmedium die einzelnen Wärmetauscherplatten nacheinander durchströmt. Nur eine Wärmetauscherplatte weist damit einen direkten Einlass für das Kühlmedium auf, während die Wärmetauscherplatten untereinander mit Verbindungselementen verbunden werden und nach der letzten Platte das Kühlmedium wieder abgeführt wird. Auch denkbar ist eine mehrstufige bzw. mehrflutige Ausführung, sodass z. B. in der ersten Stufe, d.h. der ersten Wärmetauscherplatte des Wärmetauschers der Strom des Kühlmediums gesammelt bleibt, während sich der Strom des Kühlmediums in der zweiten Stufe, d.h. der in Strömungsrichtung zweiten Wärmetauscherplatte des Wärmetauschers in zwei Teilströme, d.h. in zwei Fluten aufteilt. In der dritten Stufe, d.h. in der in Strömungsrichtung des Kühlmediums dritten Wärmetauscherplatte kann sich der Strom des Kühlmediums wieder zu einem Gesamtstrom, d.h. zu einer Flut sammeln.
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In einer optionalen Weiterbildung weist der Front-Stoßfänger einen Querträger mit mindestens einem Querträgerabschnitt und ein oder mehrere Befestigungsmittel auf, wobei der Wärmetauscher des Front-Stoßfängers mit dem Querträgerabschnitt und/oder der Fahrzeugkarosserie durch mindestens ein Befestigungsmittel verbunden oder verbindbar ist.
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Gemäß dieser Ausführungsform kann der Wärmetauscher also zunächst mithilfe von Befestigungsmitteln mit dem mindestens einen Querträgerabschnitt des Querträgers zur Ausbildung des Front-Stoßfängers verbunden werden. Anschließend kann der Front-Stoßfänger mit weiteren Befestigungsmittel mit der Fahrzeugkarosserie verbunden werden. Alternativ können die gleichen Befestigungsmittel zum Verbinden des Wärmetauschers mit dem oder den Querträgerabschnitten und zum Verbinden von Wärmetauscher und Querträgerabschnitten mit der Fahrzeugkarosserie verwendet werden.
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Bevorzugt weisen der Wärmetauscher, insbesondere die eine oder die mehreren Luftstromplatten, und mindestens ein Querträgerabschnitt einen oder mehrere Durchgänge auf und mindestens ein Befestigungsmittel ist zur Befestigung des Wärmetauschers mit dem Querträgerabschnitt und/oder zur Befestigung des Wärmetauschers und des Querträgerabschnitts mit der Fahrzeugkarosserie durch die Durchgänge durchgeführt oder durchführbar.
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Der Wärmetauscher und der Querträgerabschnitt können also Durchgänge aufweisen, wobei jeweils ein Durchgang des Wärmetauschers und ein Durchgang des Querträgerabschnitts in einer Flucht angeordnet werden können, damit bspw. ein Schraubenschaft einer Befestigungsschraube durchgeschoben werden kann. Auch die Fahrzeugkarosserie kann einen Durchgang aufweisen, bspw. an einem Befestigungsflansch, der an einem Endabschnitt des Längsträgers der Fahrzeugkarosserie angeordnet ist. Auch der Durchgang des Flanschs kann in einer Flucht in den Durchgängen des Wärmetauschers und des Querträgerabschnitts zur Durchführung des Schraubenschaft der Befestigungsschraube angeordnet werden. Weitere Fixierungslösungen sind je nach Fahrzeuggeometrie möglich.
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Vorzugsweise weist der Front-Stoßfänger zwei oder mehr im Wesentlichen in Fahrzeugquerrichtung ausgerichtete Querträgerabschnitte auf und der Wärmetauscher des Front-Stoßfängers ist zwischen zwei Querträgerabschnitten angeordnet.
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Der Wärmetauscher wird also beidseitig, d.h. an beiden Enden, also rechts- und linksseitig, jeweils mit einem Querträgerabschnitt verbunden. Die Querträgerabschnitte bilden eine Struktur, welche die Stoßfängerfunktion außerhalb der Längsträger übernimmt. In anderen Worten, ist der längliche und im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Fahrzeuglängsachse ausgebildete Front-Stoßfänger im Wesentlichen parallel zur Fahrzeugquerrichtung ausgerichtet. Die Endabschnitte des Front-Stoßfängers weisen vorzugsweise eine Krümmung auf, sodass die Enden des Front-Stoßfängers in Richtung Fahrzeugheck zeigen. Diese Krümmung dient der Unterstützung des Front-Designs der Karosserie sowie zur Verbesserung des frontal-seitlichen Aufpralls. Der Wärmetauscher bildet in diesem länglichen Front-Stoßfänger den Mittelteil, während zwei, vorzugsweise gekrümmte, Querträgerabschnitte die Seitenteile ausbilden und beidseitig an den Längsenden des Wärmetauscher anschließen. Im Verbindungsbereich zwischen den Querträgerabschnitten und dem Wärmetauscher können Befestigungsmittel zum Verbinden von Wärmetauscher und Querträgerabschnitten miteinander und gegebenenfalls mit der Fahrzeugkarosserie vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß weist der Front-Stoßfänger einen Wärmetauscher mit mindestens einer Wärmetauscherplatte und/oder einer Luftstromplatte auf, die in mindestens einem endständigen Bereich mit einem eine Verjüngung bildenden Vorsprung ausgebildet ist und der Vorsprung in Eingriff mit einer zu dem Vorsprung komplementären Vertiefung in einem Querträgerabschnitt angeordnet ist.
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Die beiden Längsenden des länglich ausgebildeten Wärmetauschers sind wenigstens zur Mitte hin verjüngt. Vorzugsweise sind die Längsenden der länglich ausgebildeten Luftstromplatten zur Mitte hin verjüngt, sodass sich eine symmetrische Ausgestaltung der Luftstromplatten bezüglich einer Fahrzeugquerachse ergeben kann. Die seitlich an den Wärmetauscher angrenzenden Querträgerabschnitte weisen eine zu dem Vorsprung komplementäre Vertiefung auf, sodass die Luftstromplatten verdrehsicher und/oder spielfrei in den angrenzenden Querträgerabschnitten gelagert werden können. Insbesondere können die Vertiefungen als Führung und/oder Schienen und/oder Nuten für den jeweiligen Vorsprung der Luftstromplatten des Wärmetauschers ausgebildet sein. In anderen Worten, die Kühlrippenplatten werden an den seitlichen Enden zur Mitte hin verjüngt und durch eine Struktur, insbesondere eine Struktur der angrenzenden Querträgerabschnitte, umfasst, welche die Stoßfängerfunktion außerhalb der Längsträger übernimmt und zur Aufnahme des Wärmetauscher-Stoßfängers an den Längsträgern dient. Der Wärmetauscher, die Querträgerabschnitte und die Fahrzeugkarosserie bilden einen Verbund, der gleichzeitig zur Kühlung von Fahrzeugsystemen beiträgt und die Last im Falle eines Fahrzeugaufpralls zum Schutz der Fahrzeuginsassen verteilt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen in beispielhafter Ausführungsform
- 1 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Front-Stoßfängers,
- 2 eine Frontalansicht dieses Front-Stoßfängers,
- 3 eine Rückansicht dieses Front-Stoßfängers,
- 4 eine Draufsicht dieses Front-Stoßfängers,
- 5 eine Explosionszeichnung in einer ersten Perspektive dieses Front-Stoßfängers,
- 6 eine Explosionszeichnung in einer zweiten Perspektive dieses Front-Stoßfängers, und
- 7a-c eine Prinzipskizze eines Front-Stoßfängers eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden. Insbesondere sind die Figuren dahingehend zu verstehen, dass verschiedene Bauteile zur besseren Übersichtlichkeit ausgeblendet oder vereinfacht dargestellt sind.
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1 zeigt einen Front-Stoßfänger 100, der im Wesentlichen in y-Richtung ausgerichtet und mit der Fahrzeugkarosserie 201, insbesondere zwei Längsträgern (vgl. 4), verbunden ist. Dabei ist ein (nicht dargestellter) mittlerer Querträgerabschnitt eines Querträgers des Front-Stoßfängers 100 durch einen Wärmetauscher 110 ersetzt, der als Kühlmedium-zu-Luft-Wärmetauscher ausgebildet ist. Der Wärmetauscher 110 des Front-Stoßfängers 100 ist zwischen zwei Querträgerabschnitten 101 angeordnet. In den Abschnitten 101 können ebenfalls (nicht dargestellte) Abschlepphülsen eingebracht sein. Das heißt, der Wärmetauscher 110 ist von Querträgerabschnitten 101 aufgenommen, wobei die Querträgerabschnitte 101 die Stoßfängerfunktion außerhalb der Längsträger der Fahrzeugkarosserie 201 übernehmen und zur Aufnahme des als Wärmetauscher 110 ausgebildeten mittleren Stoßfängerabschnitts an die Fahrzeugkarosserie 201 dienen. Aus der Umgebung 300 wird während der Vorwärtsbewegung des Kraftfahrzeugs dem Wärmetauscher 110 direkt und/oder indirekt über einen separaten Kühler bzw. Kühlergrill ein Luftstrom 301 mit Umgebungsluft zugeführt. Es kann auch aktiv belüftet werden, d.h. durch einen Kühlerlüfter Umgebungsluft im Motorraum angesaugt werden, wenn das Kraftfahrzeug steht oder langsam fährt. Dabei erwärmt sich der Luftstrom 301 und kühlt ein Kühlmedium 115 (vgl. 7a), wobei das Kühlmedium 115 selbst wiederum zur Kühlung eines Fahrzeugsystems dient, z.B. dem Motor, dem Antrieb, der Batterie, der Elektronik, insbesondere der Starkstromelektronik oder etwaigen Wärmepumpenanordnungen und/oder Klimasystemen bzw. anderen zu kühlenden Fahrzeugsystemen. Befestigungsmittel 150 befestigen den Wärmetauscher 110 an zwei Querträgerabschnitten 101 und mit der Fahrzeugkarosserie 201. Der Wärmetauscher 110 selbst ist aus einer Mehrzahl von dem Luftstrom 301 durchströmten Luftstromplatten 111 und einer Mehrzahl von dem Kühlmedium 115 durchströmten Wärmetauscherplatten 112 aufgebaut. Luftstromplatten 111 und Wärmetauscherplatten 112 sind jeweils im Wesentlichen horizontal ausgerichtet und in vertikaler Richtung übereinander angeordnet. Dabei werden jeweils abwechselnd Luftstromplatten 111 und Wärmetauscherplatten 112 übereinandergeschichtet. Das Kühlmedium 115 wird durch einen mit einem Kühlkreislauf des Fahrzeugs in Verbindung stehenden Kühlmediumverteiler 121 als erstem Endtank den einzelnen Wärmetauscherplatten 112 zugeführt. Nachdem das Kühlmedium 115 die Wärmetauscherplatten 112 durchströmt hat, wird es im Kühlmittelsammler 122 als zweitem Endtank typischerweise für einen Kühlkreislauf wieder dem zu kühlenden Fahrzeugsystem zugeführt. Der Wärmetauscher 110 fügt sich in die Geometrie des quasi ersetzten, mittleren Stoßfängerabschnitts ein, weshalb kein oder nur sehr wenig zusätzlicher Platz gegenüber einem herkömmlichen Front-Stoßfänger 100 benötigt wird. Es ist auch eine serielle Durchströmung der Wärmetauscher 110 möglich mit nur einem Einlass und einem Auslass, also ohne die Verwendung eines Kühlmittelverteilers 121 oder Kühlmittelsammlers 122.
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2 zeigt den Front-Stoßfänger 100 in einer Frontansicht. Jede der Wärmetauscherplatten 112 ist beidseitig von einer Luftstromplatte 111 begrenzt. Eine Wärmetauscherplatte 112 ist dabei meist mit einer Luftstromplatte 111 mittels eines stark wärmeleitenden Materials 124, z.B. einem Klebstoff oder einer Wärmeleitpaste verbunden. Eine formschlüssige Kontaktfläche ist auch denkbar. Die Luftstromplatten 111 weisen jeweils Kühlrippen 116 auf, wobei die Kühlrippen 116 eine flache erste oder obere Kühlplatte 117 und eine zweite oder untere Kühlplatte 118 miteinander verbinden. Die Kühlrippen 116 sind mit den Kühlplatten 117, 118 verbunden. Das heißt, sie sind entweder bereits einstückig ausgebildet oder werden mit den Kühlplatten 117, 118 bei der Herstellung einer Luftstromplatte 111 verlötet oder anderweitig verbunden. Dadurch eignen sich die Luftstromplatten 111 nicht nur zur Wärmeübertragung an den Luftstrom 301, sondern auch zur Erhöhung der Biegesteifigkeit und der Verbesserung der Struktur des Front-Stoßfängers 100 zur Aufnahme von Kraft oder Energie im Falle eines Fahrzeugaufpralls. Die Kühlrippen 116 können eine aufpralloptimierte Formgebung aufweisen, welche im Falle eines Frontalaufpralls die Last mit aufnehmen. Damit kann der Wärmetauscher 110 auch die Funktion des Front-Stoßfängers 100 zur Erzeugung der erforderlichen Steifigkeit im Bereich der Fahrzeugfront übernehmen. Zusätzliche nicht dargestellte Frontalverkleidungen und/oder Kühlergrille bestimmen den optischen Eindruck im verbauten Zustand, sodass bspw. etwaige Befestigungsmittel 150 für den Betrachter verdeckt sind. Alternativ ist der Wärmetauscher 110 einstückig als Monokomponente, bspw. mit Wärmetauscherplatten 112 und Luftstromplatten 111 ausgebildet. Das heißt, der Wärmetauscher 110 kann mittels additiver Fertigung, beispielsweise im 3D-Druck hergestellt werden.
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3 zeigt den Front-Stoßfänger 100 in einer Rückansicht. Der Front-Stoßfänger 100, bzw. der Wärmetauscher 110 und die Querträgerabschnitte 101 sind zur Verteilung der Last auf die Fahrzeugkarosserie 201 (vgl. 1) mit den Längsträgern verbunden. Hierfür weisen die Längsträger 201 Längsstreben 203 und einen Flansch 204 mit Durchführungen 202 auf, wobei die Durchführungen 202 zur Befestigung in Eingriff mit Befestigungsmitteln 150 gebracht werden können. Es können auch zusätzlich Faltboxen (sog. „Crash Cans“) zwischen den Querträgerabschnitten 101 bzw. einem Querträger 101a (vgl. 7a) als Monokomponente und Längsträgern montiert sein, welche die Aufprallenergie absorbieren. Das Kühlmedium 115 wird den Wärmetauscherplatten 112 durch den Kühlmediumverteiler 121 am Kühlmediumeinlass 119 zugeführt. Für drei Wärmetauscherplatten 112 teilt der Kühlmediumverteiler 121 das Kühlmedium 115 in drei Teilströme 115a, 115b, 115cauf. Das Kühlmedium 115 durchströmt entlang der drei Teilströme 115a, 115b und 115c den Wärmetauscher 110 und verlässt diesen wieder durch den Kühlmittelsammler 122 am Kühlmittelablass 120. Die Strömungsrichtung des Kühlmediums 115 ist auch umkehrbar. Alternativ können die Wärmetauscherplatten 112 in Reihe geschaltet sein, sodass nur eine Wärmetauscherplatte 112 einen direkten Einlass für das Kühlmedium 115 aufweist. Die Wärmetauscherplatten 112 sind mit Verbindungselementen untereinander verbunden, wobei nach der letzten Wärmetauscherplatte 112 das Kühlmedium 115 wieder abgeführt wird.
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4 veranschaulicht die Befestigung des Wärmetauschers 110 mit den Querträgerabschnitten 101 und der Fahrzeugkarosserie 201. Der längliche Wärmetauscher 110 und/oder die Luftstromplatten 111 weisen beidseitig in ihren Endbereichen 111a einen eine Verjüngung bildenden Vorsprung 123 auf. In anderen Worten, die Kühlrippenplatten sind an ihren seitlichen Enden zur mittleren Längsachse hin verjüngt. Die Verjüngung ist stufenlos dargestellt, wobei jedoch auch eine Verjüngung denkbar ist, die stufig ausgeführt ist. Der Vorsprung 123 ist durch seine Orientierung zur mittleren Längsachse hin im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Fahrzeugquerrichtung ausgebildet. Der Vorsprung 123 ist in montiertem Zustand in Eingriff mit einer zu dem Vorsprung 123 komplementären Vertiefung 102 in den an den Wärmetauscher 110 angrenzenden Querträgerabschnitten 101. Der Vorsprung 123 der Luftstromplatten 111 und die Vertiefungen 102 der Querträgerabschnitte 101 können zueinander komplementär ausgebildet sein bzw. miteinander einen Formschluss ausbilden. Dadurch ist der Wärmetauscher 110 gegenüber den Querträgerabschnitten 101 verdrehsicher und spielfrei gelagert und kann im Falle eines Aufpralls die Last auf die Querträgerabschnitte 101 und anschließend auf die Fahrzeugkarosserie 201 übertragen. Das Befestigungsmittel 150 zur Befestigung des Front-Stoßfängers mit der Fahrzeugkarosserie 201 kann bspw. als Befestigungsschraube 150 mit einem Schraubenkopf 153, einem Schraubenschaft 154 und gegebenenfalls einer zusätzlichen Unterlegscheibe 155 ausgebildet sein. Der Schraubenschaft 154 der Befestigungsschraube 150 wird durch den Querträgerabschnitt 101 im Bereich der Vertiefung 102, anschließend eine Luftstromplatte 111 im Bereich des Vorsprungs 123, anschließend wieder durch den Querträgerabschnitt 101 im Bereich der Vertiefung 102 und schließlich durch die Durchführung 202 (vgl. 3) des Flanschs 204 der Längsträger 201 geführt. Bezüglich einer Draufsicht ist der Front-Stoßfänger 100 bzgl. einer x-Richtung symmetrisch.
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Die 5 und 6 zeigen eine Explosionsdarstellung des Front-Stoßfängers 100, in denen weitere Details der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform erkennbar sind. Zur Befestigung bzw. zur Montage des Front-Stoßfängers 100 an der Fahrzeugkarosserie 201 wird eine Befestigungsschraube 150 zunächst durch eine Durchführung 152 eines Querträgerabschnitts 101, anschließend durch eine Durchführung 151 einer Luftstromplatten 111 des Wärmetauschers, anschließend wieder durch eine Durchführung 152 desselben Querträgerabschnitts 101 und durch eine Durchführung 202 in der Fahrzeugkarosserie 201 geführt. Zur Befestigung müssen die Durchführungen 151, 152 und 202 fluchtend angeordnet sein. Der Wärmetauscher 110 weist vier längliche Luftstromplatten 111 auf, die beidseitig in den Endbereichen 111a mit einer Durchführung 151 im Bereich des jeweiligen Vorsprungs 123 versehen sind. Insgesamt können damit zur Befestigung des Wärmetauschers 110 acht Befestigungsschrauben 150 verwendet werden.
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Ferner weist der Wärmetauscher 110 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei Wärmetauscherplatten 112 auf. Entsprechend ist der Kühlmediumverteiler 121 dazu ausgebildet, ein Kühlmedium 115 von einem Kühlmediumverteiler-Eintritt 121a auf drei Teilströme 115a, 115b, 115c (vgl. 3) an insgesamt drei Kühlmediumverteiler-Austritten 121b aufzuteilen. Jeder der drei Teilströme 115a, 115b, 115c durchströmt eine separate Wärmetauscherplatte 112, wobei der Teilstrom 115a, 115b, 115c der jeweiligen Wärmetauscherplatte 112 einem Wärmetauscherplatten-Eintritt 112a zugeführt wird und an einem Wärmetauscherplatten-Austritt 112b entnommen wird.
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Nachdem das Kühlmedium 115 aufgeteilt in drei Teilströme 115a, 115b, 115c (vgl. 3) die Wärmetauscherplatten 112 durchströmt hat, wird es in dem Kühlmittelsammler 122 wieder zu einem einzigen Strom an Kühlmedium 115 zusammengefasst bzw. vereinigt, weshalb der Kühlmittelsammler 112 drei Kühlmediumsammler-Eintritte 122a und einen Kühlsammler-Austritt 122b aufweist. Bezüglich einer möglichen seriellen Durchströmung sei auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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7a zeigt noch ein allgemeineres Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Front-Stoßfängers 100, wobei 7b eine Schnittansicht A-A durch die Schnittlinie A-A der 7a und 7c eine Schnittansicht B-B durch die Schnittlinie B-B der 7a darstellt. Gemäß 7a weist der Front-Stoßfänger 100 einen Querträger 101a auf, der hier einstückig ausgebildet ist und in seinem Inneren einen integrierten Wärmetauscher 110 aufweist. Durch den Wärmetauscher 110 strömt ein Kühlmedium 115 entlang einer gemäß 7c als einziges Rohr ausgebildeten Kühlmediumleitung 125 von einem Kühlmediumeinlass 119 zu einem Kühlmediumablass 120. Die Kühlmediumleitung 125 ist in einer Luftleitung 126 angeordnet und wird während der Fahrt von einem Luftstrom 301 an Umgebungsluft 300 umströmt. Die Kühlmediumleitung 125 kann aus einer oder mehreren Wärmetauscherplatten 112 (vgl. 1) oder einer oder mehreren Wärmetauscherrohren bestehen. Die Kühlmediumleitung(en) 125 und Luftleitung(en) 126 können grundsätzlich horizontale oder vertikale Abschnitte aufweisen. Der Wärmetauscher 110 ist gemäß 7b entsprechend der strukturgebenden Querträgerabschnitte 101 des Front-Stoßfängers 100 gemäß einer Draufsicht leicht gekrümmt, sodass er ohne zusätzlichen Platzbedarf in den Front-Stoßfänger 100 integrierbar und an die Fahrzeugkarosserie, insbesondere die Längsträger 201, montierbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Front-Stoßfänger
- 101
- Querträgerabschnitt
- 101a
- Querträger
- 102
- Vertiefung
- 110
- Wärmetauscher
- 111
- Luftstromplatte
- 111a
- Endbereich
- 112
- Wärmetauscherplatte
- 112a
- Wärmetauscherplatten-Eintritt
- 112b
- Wärmetauscherplatten-Austritt
- 115
- Kühlmedium
- 115a-c
- Teilströme des Kühlmediums
- 116
- Kühlrippe
- 117
- erste oder obere Kühlplatte
- 118
- zweite oder untere Kühlplatte
- 119
- Kühlmediumeinlass
- 120
- Kühlmediumablass
- 121
- erster Endtank, insbesondere Kühlmediumverteiler
- 121a
- Kühlmediumverteiler-Eintritt
- 121b
- Kühlmediumverteiler-Austritt
- 122
- zweiter Endtank insbesondere Kühlmediumsammler
- 122a
- Kühlmediumsammler-Eintritt
- 122b
- Kühlmediumsammler-Austritt
- 123
- Vorsprung, durch die Verjüngung gebildet
- 124
- wärmeleitendes Material
- 125
- Kühlmediumleitung
- 126
- Luftleitung
- 150
- Befestigungsmittel, insbesondere Befestigungsschraube
- 151
- Durchgang durch Wärmetauscher
- 152
- Durchgang durch Querträgerabschnitt
- 153
- Schraubenkopf
- 154
- Schraubenschaft
- 155
- Unterlegscheibe
- 201
- Fahrzeugkarosserie, insbesondere Längsträger
- 202
- Durchgang durch Längsträger
- 203
- Längsstrebe
- 204
- Flansch
- 300
- Umgebung
- 301
- Luftstrom
- x-Richtung
- Fahrzeuglängsrichtung/Fahrzeuglängsachse
- y-Richtung
- Fahrzeugquerrichtung/Fahrzeugquerachse
- z-Richtung
- Fahrzeughochrichtung/Fahrzeughochachse
