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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Karosserieteilstruktur für ein wenigstens teilweise batteriebetriebenes Kraftfahrzeug und umfasst wenigstens einen Schweller und wenigstens einen mit einem Schwellerende verbundenen Querträger.
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Bei Fahrzeugen mit solchen Karosserien treten bei einem Pfahlseitencrash in der Regel eine starke Stauchung des Schwellerquerschnitts und eine Biegung des Schwellers auf. Durch die Biegebelastung tritt in den Schwellerenden zudem regelmäßig auch eine Zugbelastung auf.
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Eine konstruktive Verbesserung der Crashperformance bei dem Pfahlseitencrash ist in der Regel jedoch erheblich erschwert, da besonders bei Elektro- bzw. Sportfahrzeugen eine Gewichtszunahme unerwünscht ist. Zudem ist der zur Verfügung stehende Bauraum in den betroffenen Bereichen sehr begrenzt. Zum Beispiel soll der für eine Unterbodenbatterie bereitstehende Bauraum nicht ungünstig reduziert werden, um eine möglichst große Reichweite des Fahrzeugs erzielen zu können.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorzugsweise gewichts- und bauraumoptimierte Verbesserung des Crashverhaltens (der Crashperformance) bei einem Pfahlseitencrash zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Karosserieteilstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 15. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Die erfindungsgemäße Karosserieteilstruktur ist für ein Kraftfahrzeug und vorzugsweise für ein wenigstens teilweise batteriebetriebenes Kraftfahrzeug, beispielsweise Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, vorgesehen. Die Karosserieteilstruktur umfasst wenigstens einen Schweller und wenigstens einen Querträger. Der Querträger ist mit einem Schwellerende des Schwellers verbunden. Dabei ist zwischen dem Schwellerende und einer sich in Fahrzeughochrichtung erstreckenden und dem Schwellerende zugewandten Querträgerwandung des Querträgers wenigstens ein Knotenbauteil angeordnet. Das Knotenbauteil umfasst wenigstens eine mit der Querträgerwandung korrespondierende und insbesondere mit der Querträgerwandung verbundene Anlagefläche. Das Knotenbauteil umfasst wenigstens einen formschlüssig in das Schwellerende eingeschuhten Koppelabschnitt und/oder wenigstens einen formschlüssig um das Schwellerende aufgeschuhten Koppelabschnitt.
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Insbesondere ist diese Anordnung Teil eines Batterierahmens für wenigstens eine Traktionsbatterie. Insbesondere kann an beiden Schwellerenden des Schwellers jeweils eine solche Anordnung vorgesehen sein. Das Knotenbauteil ist insbesondere ein separat ausgebildetes Zusatzbauteil. Die Karosserieteilstruktur ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, einen Batterierahmen um eine Traktionsbatterie aufzuspannen.
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Die erfindungsgemäße Karosserieteilstruktur bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bieten das Knotenbauteil und dessen Anlagefläche und Koppelabschnitt. Dadurch wird eine besonders stabile Anbindung und Abstützung des Schwellerendes am Querträger erreicht. So wird durch die Erfindung auch die Aufnahme der Zugkräfte erheblich verbessert und es ergibt sich ein insgesamt verbessertes Crashverhalten bei einem Pfahlseitencrash. Zudem können diese Vorteile ohne eine ungünstig erhöhte Bauteilmasse und ohne eine ungünstige Einschränkung von Bauraum verwirklicht werden. Besonders vorteilhaft ist auch, dass eine erheblich sicherere Unterbringung der Traktionsbatterie erreicht wird.
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Die Querträgerwandung überdeckt vorzugsweise das Schwellerende wenigstens abschnittsweise. Insbesondere überragt die Querträgerwandung das Schwellerende vollständig. Insbesondere überragt die Querträgerwandung das Schwellerende oben und/oder unten und/oder rechtsseitig und/oder linksseitig. Dabei beziehen sich diese Angaben insbesondere auf einen Querschnitt des Schwellerendes. Insbesondere wird durch die Querträgerwandung ein offen ausgebildetes Schwellerende wenigstens abschnittsweise, insbesondere vollständig, verschlossen.
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Der Schweller umfasst vorzugsweise wenigstens ein Hohlprofilelement. Der Querträger umfasst vorzugsweise wenigstens ein Hohlprofilelement. Das Hohlprofilelement ist vorzugsweise als ein Extrusionsprofil ausgebildet. Möglich sind auch andere Arten von geeigneten Hohlprofilelementen. Der Schweller und/oder der Querträger können wenigstens teilweise oder sogar vollständig aus jeweils wenigstens einem Hohlprofilelement bestehen. Der Schweller und/oder der Querträger können jeweils eine Anordnung von einer Mehrzahl von Hohlprofilelementen umfassen oder durch eine solche gebildet werden. Solche Ausführungen können besonders gezielt mit dem erfindungsgemäßen Knotenbauteil verknüpft werden.
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Das Knotenbauteil ist insbesondere als ein Gussbauteil oder ein Schmiedebauteil oder als ein Fließpressbauteil ausgebildet oder umfasst wenigstens ein solches. Möglich sind auch andere geeignete Bauarten von Knotenbauteilen. Solche Bauteile bieten eine besonders vorteilhafte Anbindung von Schweller und Träger.
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In einer besonders fortlaufenden Ausgestaltung umfasst der Koppelabschnitt wenigstens eine Koppelstruktur mit einer Mehrzahl von an dem Schweller anliegenden Rippen. Vorzugsweise verlaufen die Rippen wenigstens teilweise in Fahrzeuglängsrichtung und insbesondere in Längsrichtung des Schwellers. Die Ausrichtung der Rippen bezieht sich insbesondere auf die Längsachse der Rippen. Insbesondere liegen die Rippen berührend an dem Schwellerende an. Die Rippen können an einer Innenseite und/oder an einer Außenseite des Schwellerendes anliegen.
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Es ist bevorzugt und vorteilhaft, dass sich die Koppelstruktur in das Schwellerende und vorzugsweise in wenigstens ein Hohlprofilelement des Schwellers erstreckt. Insbesondere ist die Koppelstruktur in Längsrichtung des Hohlprofilelements in dieses eingesteckt. Möglich und vorteilhaft ist auch, dass sich die Koppelstruktur um das Schwellerende herum und vorzugsweise um wenigstens ein Hohlprofilelement des Schwellers herum erstreckt.
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Das Knotenbauteil ist vorzugsweise wenigstens durch ein Schweißverfahren und/oder Verschraubungsverfahren und/oder Klebeverfahren an den Schweller und/oder an den Querträger angebunden. Das Verschraubungsverfahren umfasst insbesondere wenigstens eine Verschraubung mittels FPS-Schrauben (Flow-Drill-Schrauben). Insbesondere sind der Koppelabschnitt und/oder die Anlagefläche derart an den Schweller und/oder den Querträger angebunden. Möglich sind auch andere geeignete stoffschlüssige und/oder kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindungsverfahren.
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In einer bevorzugten und besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Querträger unter einem schrägen Winkel, insbesondere einem spitzen oder stumpfen Winkel, an dem Schwellerende angeordnet. Dabei ist das Schwellerende vorzugsweise in einem korrespondierenden Winkel und insbesondere in einem gleichen Winkel ausgeformt. Beispielsweise ist das Schwellerende dazu in dem entsprechenden Winkel beschnitten. Vorteilhaft und bevorzugt ist auch, dass der Querträger gebogen ist. Dabei weist das Schwellerende vorzugsweise eine korrespondierende Biegung auf. Durch solche Ausgestaltungen kann der Formschluss im Schweller-Querträger-Knoten besonders vorteilhaft verbessert werden. In einer solchen Ausgestaltung sind vorzugsweise auch die Anlagefläche und/oder der Koppelabschnitt korrespondierend zu dem Winkel und/oder der Biegung ausgebildet. Der Querträger kann auch in einem rechten Winkel an dem Schwellerende angeordnet sein.
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Es ist möglich und vorteilhaft, dass der Schweller, insbesondere das Hohlprofilelement, wenigstens eine wenigstens einen Schwellerinnenraum nach außen begrenzende Außenwandungsstruktur aufweist. Insbesondere begrenzt die Außenwandungsstruktur den Schwellerinnenraum umfänglich und/oder an den Längsseiten. Dabei ist bevorzugt, dass der Schweller wenigstens eine im Schwellerinnenraum angeordnete Verstärkungswandung aufweist. Insbesondere ist die Verstärkungswandung am Schwellerende zurückspringend zu der Außenwandungsstruktur ausgebildet. Dabei ist bevorzugt und vorteilhaft, dass sich der Koppelabschnitt, vorzugsweise wenigstens die Koppelstruktur, wenigstens abschnittsweise derart in den Schwellerinnenraum erstreckt, dass der Koppelabschnitt von der Außenwandungsstruktur umgeben ist und vorzugsweise formschlüssig an der Verstärkungswandung anliegt. Der Schwellerinnenraum kann mehrere einzelne Hohlräume umfassen.
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Es ist besonders bevorzugt und vorteilhaft, dass der Schweller mittels wenigstens eines Zugblechs an den Querträger angebunden ist. Vorzugsweise ist das Zugblech separat zu dem Knotenbauteil ausgebildet. Insbesondere stellt das Zugblech ein separates Bauteil dar. Insbesondere ist das Zugblech dazu geeignet und ausgebildet, die Anbindung des Schwellers an den Querträger mittels des Knotenbauteils gezielt zu verstärken. Das Zugblech kann scheibenartig ausgebildet sein. Möglich ist aber auch, dass das Zugblech als ein räumlicher Blechkörper ausgebildet ist. Insbesondere ist das Zugblech unterhalb und/oder oberhalb des Knotenbauteils angeordnet. Insbesondere ist das Zugblech direkt am Schweller befestigt. Insbesondere ist das Zugblech direkt am Querträger befestigt. Insbesondere ist das Zugblech beabstandet zu dem Knotenbauteil am Schweller und/oder Querträger angeordnet.
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Die Anlagefläche und der Koppelabschnitt sind vorzugsweise gegenüberliegend am Knotenbauteil angeordnet. Insbesondere sind die Anlagefläche und der Koppelabschnitt an gegenüberliegenden Seiten des Knotenbauteils angeordnet. Vorzugsweise erstreckt sich die Anlagefläche dabei in Fahrzeugquerrichtung und/oder in Fahrzeughochrichtung über den Koppelabschnitt hinaus. Das bietet eine besonders zuverlässige Anbindung der Schwellerenden und eine besonders vorteilhafte Aufnahme von Zugkräften.
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Insbesondere ist die Anlagefläche länger und/oder höher als der Koppelabschnitt ausgebildet bzw. breiter als der Koppelabschnitt ausgebildet. Die Anlagefläche verläuft insbesondere parallel zur Querträgerwandung. Die Anlagefläche liegt insbesondere formschlüssig an der Querträgerwandung an. Insbesondere liegt die Anlagefläche flächig und vorzugsweise vollflächig an der Querträgerwandung an. Insbesondere sind eine Kontur der Anlagefläche und eine Kontur der Querträgerwandung korrespondierend ausgebildet. Insbesondere erstreckt sich die Anlagefläche wenigstens in Fahrzeughochrichtung über die Querträgerwandung wenigstens nach oben und/oder unten hinaus.
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Die Karosserieteilstruktur umfasst insbesondere wenigstens zwei Schweller. Insbesondere sind wenigstens ein linker und wenigstens ein rechter Schweller vorgesehen. Insbesondere sind die Schweller jeweils mit dem Schwellerende mit dem Querträger in der zuvor beschriebenen Art und Weise verbunden. Die Schweller sind dabei vorzugsweise wie zuvor beschrieben ausgebildet und angeordnet. Beispielsweise ist der zuvor beschriebene Schweller der linke oder rechte Schweller. Die Schweller umfassen insbesondere jeweils wenigstens ein vorderes und ein hinteres Schwellerende.
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Die Karosserieteilstruktur umfasst vorzugsweise wenigstens zwei Querträger und insbesondere in Bezug auf die Vorwärtsfahrtrichtung wenigstens einen vorderen und wenigstens einen hinteren Querträger. Insbesondere ist in Vorwärtsfahrtrichtung wenigstens ein vorderer Querträger mit jeweils einem vorderen Schwellerende der wenigstens zwei Schweller mittels jeweils wenigstens eines Knotenbauteils verbunden. Insbesondere ist in Vorwärtsfahrtrichtung wenigstens ein hinterer Querträger mit jeweils einem hinteren Schwellerende der wenigstens zwei Schweller mittels jeweils wenigstens eines Knotenbauteils verbunden. Die Schweller und Querträger und Knotenbauteile sind dabei insbesondere wie zuvor beschrieben ausgebildet und angeordnet.
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Besonders bevorzugt bilden die Querträger und die damit verbundenen Schweller zusammen einen Batterierahmen für wenigstens eine Traktionsbatterie oder sind wenigstens Teil eines solchen. Insbesondere ist der Batterierahmen karosseriefest ausgebildet. Der Batterierahmen dient insbesondere zur Befestigung der Traktionsbatterie am Fahrzeug und/oder zum Schutz der Traktionsbatterie im Crashfall. Insbesondere ist der Batterierahmen für eine Unterbodenbatterie geeignet und ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist insbesondere wenigstens teilweise batteriebetrieben ausgebildet und beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug.
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Das Kraftfahrzeug umfasst wenigstens eine Karosserieteilstruktur, wie sie zuvor beschrieben wurde. Besonders bevorzugt umgibt die Karosserieteilstruktur eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs rahmenartig. Insbesondere ist die Karosserieteilstruktur dabei in eine Gesamtkarosserie des Kraftfahrzeugs integriert. Insbesondere sind die Schweller und die Querträger dabei auf Höhe wenigstens eines Teils der Batteriemodule angeordnet.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beziehen sich Angaben zu Positionen insbesondere auf eine bestimmungsgemäße Positionierung der Karosserieteilstruktur in einem betriebsgemäßen Kraftfahrzeug. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem formschlüssigen Anliegen des Koppelabschnitts insbesondere ein formschlüssiges Blockieren wenigstens einer Bewegungsrichtung des Koppelabschnitts in Fahrzeuglängsrichtung bzw. in Längsrichtung des Schwellers verstanden.
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Der Schweller wird insbesondere wenigstens abschnittsweise durch wenigstens einen Längsträger der Karosserie bereitgestellt. Es kann auch zusätzlich zu dem Schweller wenigstens ein Längsträger vorgesehen sein. Der Schweller ist über das Knotenbauteil vorzugsweise direkt und/oder indirekt mit dem Querträger verbunden. Das Knotenbauteil ist insbesondere sowohl mit dem Schweller als auch mit dem der Träger verbunden. Der Querträger kann mit dem Schwellerende direkt und/oder indirekt verbunden sein. Insbesondere sind der Schweller und/oder der Querträger karosseriefest angeordnet. Insbesondere ist der Batterierahmen karosseriefest angeordnet.
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Insbesondere ist der Koppelabschnitt an eine Außenkontur eines Querschnitts und/oder an eine Innenkontur eines Querschnitts des Schwellerendes Form schlüssig angepasst, sodass ein formschlüssiges Umgreifen bzw. formschlüssiges Hineingreifen des Koppelabschnitts in das Schwellerende erreicht wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche mit Bezug auf die beiliegende Figur im Folgenden erläutert werden.
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Darin zeigen
- 1 eine stark schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Karosserieteilstruktur eines Kraftfahrzeugs in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben;
- 2 eine teiltransparente Detaildarstellung der Karosserieteilstruktur der 1;
- 3 eine weitere teiltransparente Detaildarstellung der Karosserieteilstruktur der 1; und
- 4 eine Detaildarstellung der Karosserieteilstruktur der 1 in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Karosserieteilstruktur 1, welche hier Teil eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs 100 und beispielsweise eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs ist. Die Karosserieteilstruktur 1 umfasst hier einen linken und rechten Schweller 2, welche jeweils mit einem Schwellerende 12 an einen vorderen Querträger 3 und mit einem anderen Schwellerende 12 an einen hinteren Querträger 3 angebunden sind. Zwischen den Schwellerenden 12 und den Querträgern 3 ist jeweils ein Knotenbauteil 4 angeordnet.
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Dabei werden die Schweller 2 hier jeweils aus zumindest einem als Extrusionsprofil ausgebildeten Hohlprofilelement 7 gebildet. An den Schwellerenden 12 sind die Schweller 2 hier direkt oder indirekt jeweils mit dem vorderen und dem hinteren karosseriefesten Querträger 3 verbunden. Die Querträger 3 bestehen hier jeweils aus zumindest einem als Extrusionsprofil ausgebildeten Hohlprofilelement 7.
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Eine im Wesentlichen vertikal bzw. in Fahrzeughochrichtung verlaufende Querträgerwandung 13 ist dem jeweiligen Schwellerende 12 zugewandt und überdeckt dieses wenigstens abschnittsweise. Die Knotenbauteile 4 sind jeweils zwischen den Schwellerenden 12 und den Querträgerwandungen 13 angeordnet. Die Knotenbauteile 4 sind dabei mit dem Schweller 2 als auch mit dem Querträger 3 verbunden.
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Das Knotenbauteil 4 stellt hier eine besonders große und parallele korrespondierende Anlagefläche 5 zu der dem Schwellerende 12 zugewandten Querträgerwandung 13 bereit. Zudem weist das Knotenbauteil 4 hier einen Koppelabschnitt 6 auf, welcher formschlüssig in das Hohlprofilelement 7 am Schwellerende 12 eingeschuht ist. Zusätzlich oder alternativ kann der Koppelabschnitt 6 auch formschlüssig um das Hohlprofilelement 7 am Schwellerende 12 aufgeschuht sein. Die Crashperformance bei einem Pfahlseitencrash kann durch eine solche Anbindung der Schwellerenden 12 und der daraus resultierenden Aufnahme der Zugkräfte erheblich verbessert werden.
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Bei der hier gezeigten Schwellerbauweise sind die Schweller 2 zumindest abschnittsweise Teil eines, um die Traktionsbatterie 101 angeordneten, karosseriefesten Batterierahmens 9. In Kombination mit den zuvor genannten Vorteilen wird die Traktionsbatterie 101 im Crash-Fall so besonders sicher und zuverlässig geschützt und kann zudem besonders Bauraum sparend im Unterbodenbereich montiert werden.
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Die Knotenbauteile 4 und die Verbindung der Schweller 2 mit den Querträgern 3 ist in den Detaildarstellungen der 2 und 3 besonders gut zu erkennen.
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Dabei zeigt die 2 den Verbindungsbereich Schweller 2 und Querträger 3 beispielhaft an dem in Fahrtrichtung vorderen Schwellerende 12. Der Schweller 2 der Querträger 3 sind hier transparent dargestellt.
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Die 3 zeigt den Verbindungsbereich Schweller 2 und Querträger 3 mit Sicht von oben beispielhaft an dem in Fahrtrichtung hinteren Schwellerende 12. Auch hier sind Schweller 2 und Querträger 3 transparent dargestellt.
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Ergänzend zu dem Knotenbauteil 4 kann der Verbindungsbereich zwischen Schweller 2 und Querträger 3 mit einem Zugblech 8 gezielt verstärkt werden. Ein solches Zugblech 8 ist in den 1 und 3 zu erkennen. Das Zugblech 8 ist hier separat zum Knotenbauteil 4 ausgebildet und direkt an einer Unterseite von Schweller 2 und Querträger 3 befestigt.
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Die Querträger 3 sind hier gebogen ausgebildet. Zudem sind die Querträger 3 unter einem schrägen Winkel vor dem vorderen bzw. hinteren Schwellerende 12 angeordnet. Dabei ist hier auch der Schweller 2 im gleichen Winkel schräg beschnitten. Dadurch wird der Formschluss im Knotenpunkt weiter verbessert.
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In der 4 ist der Verbindungsbereich zwischen dem Schweller 2 und dem Querträger 3 in einer geschnittenen Darstellung näher gezeigt. Dabei sind hier die Anlagefläche 5 und deren korrespondierende Fläche an der Querträgerwandung 13 besonders gut zu erkennen. Zudem ist hier besonders gut die Einschuhung des Koppelabschnitts 6 in das Schwellerende 12 zu erkennen.
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In der hier gezeigten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Koppelabschnitt 6 eine Koppelstruktur 16 mit mehreren in Fahrzeuglängsrichtung ausgerichteten Rippen 26 umfasst. Dabei greift die Koppelstruktur 16 mit den Rippen 26 in das Hohlprofilelement 7 ein. Insbesondere umfasst die Koppelstruktur 16 weitere, hier nicht sichtbare Rippen 26.
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In der hier gezeigten Ausgestaltung ist gut zu erkennen, dass das Hohlprofilelement 7 des Schwellers 2 eine Außenwandungsstruktur 32 aufweist, welche einen Schwellerinnenraum 22 an den Längsseiten umschließt. Im Schwellerinnenraum 22 sind hier mehrere Verstärkungswandungen 42 angeordnet. Dabei sind die Verstärkungswandungen 42 hier zurückspringend zu der Außenwandungsstruktur 32 angeordnet. So liegt der Koppelabschnitt 6, hier die Koppelstruktur 16, formschlüssig an der Verstärkungswandung 42 an und wird zugleich von der Außenwandungsstruktur formschlüssig umringt.
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Die hier vorgestellte Erfindung bietet eine Schwellerbauweise für Elektrofahrzeuge, bei der der Schweller 2 an den Enden 12 mithilfe eines z. B. geschmiedeten Knotenbauteils 4 an einem Querträger 3 und z. B. Querprofil befestigt wird. So wird ein gezielter Formschluss mit dem Schwellerende 12 und eine besonders große, gut fügbare Verbindungsfläche zum Querprofil 3 erzeugt. Zudem wird dadurch ein besonders sicherer und zugleich leichter und kompakter Rahmen 9 um die Batterie 101 aufgespannt. Durch die hier gezeigte Bauweise wird eine erhebliche Verbesserung der Crashperformance beim Pfahlseitencrash und beim Small Overlap Crash erzielt. Resultierend wird zudem entweder die Crashlänge, also der Abstand zwischen Schwelleraußenkante und Batteriemodulen reduziert, was zu einer Erhöhung des möglichen Batterievolumens führt, oder es kann die Schwellermasse reduziert werden (Gewichtsreduktion). Insgesamt werden eine Verbesserung der Crashperformance im Pfahlseitencrash und im Small Overlap Crash, ein Gewichtsvorteil, ein Bauraumvorteil für die Traktionsbatterie von Elektrofahrzeugen erzielt. Zudem ist eine verbesserte Integrität der Fügetechnik beim Pfahlseitencrash unaufwendig realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Karosserieteilstruktur
- 2
- Schweller
- 3
- Querträger
- 4
- Knotenbauteil
- 5
- Anlagefläche
- 6
- Koppelabschnitt
- 7
- Hohlprofilelement
- 8
- Zugblech
- 9
- Batterierahmen
- 12
- Schwellerende
- 13
- Querträgerwandung
- 16
- Koppelstruktur
- 22
- Schwellerinnenraum
- 26
- Rippe
- 32
- Außenwandungsstruktur
- 42
- Verstärkungswandung
- 100
- Kraftfahrzeug
- 101
- Traktionsbatterie
