DE102021201175A1

DE102021201175A1 - Aufprallschutz und Strukturverstärkung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102021201175A1
Application number: DE102021201175.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Daut
Original assignee: PSA Automobiles SA
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Die vorliegende Entwicklung betrifft in einem Aspekt eine Strukturverstärkung (10) für eine Kraftfahrzeugkarosserie (2), mit einem formstabilen Verstärkungskörper (11) zur Anordnung an oder in der Kraftfahrzeugkarosserie (2), wobei der Verstärkungskörper (11) einen gasdicht verschlossenen Hohlraum (20) aufweist, welcher mit einem Überdruckmedium (33) befüllt oder befüllbar ist

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Strukturverstärkung für eine Kraftfahrzeugkarosserie, welche insbesondere als Aufprallschutz ausgebildet ist. Die Strukturverstärkung kann als passiver oder aktiver Aufprallschutz fungieren. Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen eine Kraftfahrzeugkarosserie mit einer solchen Strukturverstärkung sowie ein mit einer solchen Strukturverstärkung ausgestattetes Kraftfahrzeug. In einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Strukturverstärkung eines Kraftfahrzeugbodens vorgesehen.
Hintergrund
Kraftfahrzeugkarosserien sollen bei geringstmöglichem Gewicht ein Maximum an Sicherheit für die Kraftfahrzeuginsassen bei einer Fahrzeugkollision bereitstellen. Es ist ferner erstrebenswert, besondere Kraftfahrzeugkomponenten, etwas ein Energiereservoir, zum Beispiel eine aufladbare Traktionsbatterie, vor den Folgen externer Krafteinwirkungen zu schützen. Die unkontrollierte Einleitung mechanischer Kräfte in ein Energiereservoir könnte ansonsten weitere Komplikationen bei der Bergung und/oder Reparatur des Kraftfahrzeugs mit sich bringen.
So ist beispielsweise aus der US 10 597 084 B2 ein Kraftfahrzeugboden mit einer Batterie und die Batterie seitlich einfassenden Seitenschwellern bekannt. Die Seitenschweller weisen hierbei innenliegende Absorptionsabschnitte auf, die in einer Seitenansicht überlappend mit der Batterie angeordnet sind und sich zwischen einer Innenwand und einer Außenwand des jeweiligen Schwellers erstrecken.
Zwar mögen solche Absorptionsabschnitte zu einer erhöhten Struktursteifigkeit des Seitenschwellers beitragen. Die Ausbildung solcher Absorptionsabschnitte geht jedoch mit einem nicht unwesentlichen Materialeinsatz und hiermit verbunden auch mit einem höheren Gewicht für die Seitenschweller einher.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Weiterbildung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Strukturverstärkung für eine Kraftfahrzeugkarosserie, insbesondere für einen Kraftfahrzeugboden, bereitzustellen, welche besonders einfach und universell in bestehende Karosseriekonzepte einbindbar ist, welche sich durch ein geringes Gewicht und durch einen verbesserten Kollisionsschutz für ein im Bodenbereich anzuordnendes Energiereservoir des Kraftfahrzeugs auszeichnet.
Diese Aufgabe wird mit einer Strukturverstärkung, einer Kraftfahrzeugkarosserie, mit einem Kraftfahrzeug sowie mit einem Verfahren zur Strukturverstärkung eines Kraftfahrzeugbodens gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Demgemäß und nach einem ersten Aspekt ist eine Strukturverstärkung für eine Kraftfahrzeugkarosserie vorgesehen. Die Strukturverstärkung weist einen formstabilen Verstärkungskörper zur Anordnung an oder in der Kraftfahrzeugkarosserie auf. Der Verstärkungskörper selbst verfügt über einen gasdicht verschlossenen Hohlraum. Der Hohlraum ist mit einem Überdruckmedium befüllt oder der Hohlraum ist mit einem Überdruckmedium befüllbar, insbesondere bedarfsweise oder situationsabhängig befüllbar.
Die Befüllung des geschlossenen Hohlraums des Verstärkungskörpers mit einem Überdruckmedium bewirkt, dass der Hohlraum ein geringeres Maß an kollisionsbedingter Intrusion oder Verformung erfährt, wenn die Strukturverstärkung beispielsweise kollisionsbedingt mit externen Verformungskräften beaufschlagt wird.
Das Befüllen des gasdicht verschlossenen Hohlraums mit einem Überdruckmedium, etwa mit einem Gas oder einer Flüssigkeit oder mit einem Gas-Flüssigkeitsgemisch bewirkt ferner eine räumliche Lastverteilung und/oder homogene mechanische Lastausbreitung einer von extern in den Verstärkungskörper eingebrachten Verformungskraft. Wird beispielsweise der formstabile Verstärkungskörper an einer bestimmten Stelle mit einer kollisionsbedingten, den Verstärkungskörper verformenden Kraft oder einem entsprechenden Impuls beaufschlagt, so kann über das Überdruckmedium jene Kraft- oder Impulseinleitung an andere Stellen des Verstärkungskörpers übertragen werden. Demzufolge kann diejenige Stelle, welche der externen Krafteinwirkung ausgesetzt ist, einen weitaus geringeren Verformungsgrad aufweisen als dies der Fall wäre, wenn der Hohlraum nicht mit einem Überdruckmedium befüllt wäre.
Das Befüllen des gasdicht verschlossenen oder verschließbaren Hohlraums mit dem Überdruckmedium verhindert oder verringert auch ein nach innen gerichtetes, etwa kollisionsbedingtes, Eindrücken oder Verformen des formstabilen Verstärkungskörpers. Das Überdruckmedium wirkt der nach innen gerichteten Verformung des formstabilen Verstärkungskörpers entgegen. Eine lokale Krafteinwirkung an einer bestimmten Stelle des formstabilen Verstärkungskörpers führt zu einer Erhöhung des Drucks des Überdruckmediums. Dieser verteilt sich aber gleichmäßig und homogen über das Volumen des Hohlraums und führt zu einer räumlich homogenisierten, in etwa gleichverteilten Belastung übriger Bereiche des Verstärkungskörpers.
Das Befüllen des Verstärkungskörpers mit einem Überdruckmedium ermöglicht es, den Verstärkungskörper im Inneren quasi hohl auszugestalten. Auf etwaige gesonderte Verstärkungsrippen oder Querträger, welche sich quer durch den Verstärkungskörper erstrecken, kann unter Umständen verzichtet werden. Eine entsprechende Last- oder Kraftübertragung, beispielsweise von einer Seitenwand des Verstärkungskörpers zur gegenüberliegenden oder angrenzenden Seitenwand, kann allein oder überwiegend durch das im Hohlraum befindliche Überdruckmedium erfolgen.
Hierdurch können der Materialaufwand, womöglich auch Fertigungskosten sowie das Gewicht der Strukturverstärkung verringert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Verstärkungskörper ein geschlossenes und längserstrecktes Verstärkungsprofil auf. Die Strukturverstärkung, insbesondere ihr Verstärkungskörper, kann sich beispielsweise in einem Einbauzustand mit seiner Längsrichtung in Fahrzeuglängsrichtung (x) am Boden einer Kraftfahrzeugkarosserie erstrecken.
Mit einem längserstreckten Verstärkungsprofil, welches beispielsweise im Bereich eines Seitenschwellers am Kraftfahrzeugboden angeordnet ist, kann, bezogen auf die Fahrzeuglängsrichtung (x), eine vergleichsweise lange längserstreckte Lastaufnahmezone für den Kraftfahrzeugboden bereitgestellt werden. Es ist denkbar, dass sich das längserstreckte Verstärkungsprofil bei seiner Endmontageposition in oder an der Kraftfahrzeugkarosserie über den überwiegenden Teil des Kraftfahrzeugbodens zwischen der Vorderachse und der Hinterachse des Kraftfahrzeugs erstreckt. Insbesondere kann bei einem batteriebetriebenen Kraftfahrzeug vorgesehen sein, dass der Verstärkungskörper eine Längserstreckung in Fahrzeuglängsrichtung (x) aufweist, die in etwa der Längserstreckung eines am Fahrzeugboden vorgesehenen Batteriemoduls in Fahrzeuglängsrichtung entspricht.
Ein längserstrecktes und ggf. und Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtes Verstärkungsprofil kann eine dementsprechend längserstreckte Lastaufnahmezone bereitstellen, sodass nicht nur punktuell eine Strukturverstärkung des Kraftfahrzeugbodens, sondern eine vergleichsweise lange Lastaufnahmezone für einen Seitenaufprall bereitgestellt werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Verstärkungskörper entlang seiner Längsrichtung ein homogenes und gleichbleibendes Querschnittsprofil auf. Ein homogenes bzw. gleichbleibendes Querschnittsprofil in Längsrichtung ist für die Lastübertragung innerhalb des Hohlraums mittels des Überdruckmediums von besonderem Vorteil. Aufgrund seiner homogenen bzw. homogen längserstreckten Formgebung kann der Verstärkungskörper nahezu entlang seiner gesamten Längserstreckung ein gleichbleibendes Intrusions- oder Verformungsverhalten aufweisen. Somit kann er entlang seiner Längsrichtung eine dementsprechend gleichbleibende mechanische Verstärkungsfunktion erfüllen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Verstärkungskörper ein rechteckiges oder quadratisches Querschnittsprofil auf. Der Verstärkungskörper kann insgesamt eine im Wesentlichen kubische Gestalt aufweisen. Eine derartige Formgebung erweist sich im Hinblick auf eine mechanische Lastaufnahme und Lastverteilung durch das im Hohlraum befindliche Überdruckmedium als besonders vorteilhaft. Ein Verstärkungskörper mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnittsprofil ist ferner vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Verstärkungskörper eine erste Seitenwand und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand sowie einen sich zwischen der ersten und der zweiten Seitenwand erstreckenden Boden und eine dem Boden gegenüberliegende Decke auf. In Umfangsrichtung betrachtet, schließt die Decke an die erste Seitenwand an. Der Decke abgewandt schließt die erste Seitenwand an den Boden an. Der ersten Seitenwand abgewandt schließt der Boden an die zweite Seitenwand an und dem Boden abgewandt schließt die zweite Seitenwand an die Decke an. Insoweit bilden die beiden gegenüberliegenden Seitenwände und der Boden mit der Decke ein in Umfangsrichtung geschlossenes Hohlprofil.
Von Vorteil ist der Verstärkungskörper an seinen Längsenden mit gegenüberliegenden Stirnwänden versehen und mittels den entsprechenden Stirnwänden gasdicht verschlossen. Es ist hierbei denkbar und nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass zumindest eine der genannten Begrenzungswände, das heißt eine von erster Seitenwand, zweiter Seitenwand, Boden oder Decke eine im Wesentlichen ebene und ggf. rechteckige Geometrie aufweist.
Je nach Einbausituation an oder in der Kraftfahrzeugkarosserie ist es aber auch denkbar, dass zumindest eine der Begrenzungswände eine an die Formgebung im Endmontagezustand angrenzender Karosseriekomponenten angepasste Form oder Geometrie aufweist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Verstärkungskörper einen Metallkörper auf. Die einzelnen Begrenzungswände können hierbei als Einzelteile bereitgestellt und beispielsweise miteinander verschweißt sein. Es ist aber auch denkbar, dass der Verstärkungskörper ein Extrusionskörper ist, dessen Stirnseiten gesondert mit entsprechenden Begrenzungswänden verschlossen wurden. Der Metallkörper kann aus einem Leichtmetall, etwa Aluminium oder Magnesium gefertigt sein. Bei anderen Ausgestaltungen ist der Metallkörper aus einem Stahlblech gefertigt.
Die Strukturverstärkung kann insbesondere als passive Strukturverstärkung ausgestaltet sein. Hierbei befindet sich das Überdruckmedium, typischerweise in Form eines Gases, permanent innerhalb des Verstärkungskörpers. Das Überdruckmedium ist insbesondere mit einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks im Hohlraum des Verstärkungskörpers gelagert. Das Überdruckmedium kann bei einem Druck von deutlich mehr als 1 bar, typischerweise mehr als 1,5 bar, mehr als 2 bar, mehr als 3 bar, mehr als 4 bar, mehr als 5 bar oder mehr als 6 bar im Hohlraum des Verstärkungskörpers dauerhaft gespeichert oder bereitgestellt sein. Es ist hierzu denkbar, dass der Verstärkungskörper mit einem Ventil versehen ist, mittels welchem das Druckniveau des Überdruckmediums im Hohlraum kontrollierbar und ggf. regulierbar ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Strukturverstärkung als aktive Strukturverstärkung ausgestaltet. Hierbei befindet sich das Überdruckmedium noch nicht im Hohlraum des Verstärkungskörpers, sondern das Überdruckmedium wird bedarfsgerecht, bzw. situationsbezogen in den Hohlraum eingeleitet.
Insoweit ist der Hohlraum der Strukturverstärkung mit einem Gasgenerator versehen oder hiermit strömungstechnisch verbunden. Der Gasgenerator ist dabei dazu ausgestaltet, ein gasförmiges Überdruckmedium in den Hohlraum einzuleiten. Der Gasgenerator kann ähnlich wie der Gasgenerator eines kommerziell erhältlichen Airbag-Systems ausgestaltet sein. Er kann mit einer Zündung versehen sein, mittels welcher das gasförmige Überdruckmedium bedarfsgerecht erzeugt und/oder schlagartig bzw. plötzlich bzw. explosionsartig in den Hohlraum eingeleitet werden kann.
Bei einer derart aktiv implementierten Strukturverstärkung sind insbesondere ferner ein Steuergerät und ein Kollisionssensor vorgesehen. Der Sensor, welcher typischerweise zumindest einen Beschleunigungssensor umfasst, ist signaltechnisch mit dem Steuergerät verbunden. Das Steuergerät kann die Signale des Sensors derart verarbeiten, dass infolge einer Detektion einer Kollision des Kraftfahrzeugs mit einem Hindernis der Gasgenerator gezündet und das gasförmige Überdruckmedium innerhalb weniger Millisekunden in den Hohlraum eingeleitet werden kann.
Die schlagartige oder plötzliche Expansion des Überdruckmediums in den Hohlraum kann eine abrupte Druckerhöhung des Druckniveaus im Inneren des Hohlraums bewirken. Dies kann zu einer temporären und geringfügigen Expansion des verschlossenen Hohlraums bzw. des Verstärkungskörpers führen. So ist beispielsweise denkbar, den Verstärkungskörper im Endmontagezustand an der Kraftfahrzeugkarosserie mit einem vorgegebenen Spaltmaß, beispielsweise zu einem Seitenschweller und/oder beispielsweise zu einer Traktionsbatterie anzuordnen. Im Lastfall und sobald der Gasgenerator das gasförmige Überdruckmedium in den Hohlraum einleitet, kann dies zu einer zumindest temporären Expansion des Verstärkungskörpers führen, sodass etwaige Einbauspaltmaße zwischen dem Verstärkungskörper und dem Seitenschweller und/oder der Traktionsbatterie zumindest temporär überwunden und geschlossen werden können.
Infolge dessen kann eine unmittelbare mechanische Kontaktstellung zwischen dem Verstärkungskörper und den zu schützenden bzw. zu verstärkenden Karosserie- oder Kraftfahrzeugkomponenten bereitgestellt werden, sodass eine unmittelbare Schutz- bzw. Verstärkungswirkung vom Verstärkungskörper auf die hieran angrenzend angeordneten Kraftfahrzeugkomponenten ausgehen kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Verstärkungskörper zumindest eine Überdrucköffnung auf, mittels welcher überschüssiges Überdruckmedium aus dem Hohlraum entweichen kann. Die Überdrucköffnung kann für passive als auch für aktive Strukturverstärkungen implementiert sein. Steigt der Druck im Hohlraum über ein zulässiges Niveau und stünde beispielsweise ein Bersten oder eine unkontrollierte Zerstörung des Verstärkungskörpers zu befürchten, so kann überschüssiges Überdruckmedium über die Überdrucköffnung kontrolliert aus dem Hohlraum entweichen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist jene Überdrucköffnung mit einem drucksensitiven Verschluss verschlossen oder sie ist hiermit zumindest verschließbar. Der drucksensitive Verschluss ist dazu ausgestaltet, infolge eines Druckanstiegs des Überdruckmediums im Hohlraum oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts die Überdrucköffnung zum Entweichen des Überdruckmediums freizugeben.
Auf diese Art und Weise kann einer unkontrollierten Zerstörung des Verstärkungskörpers infolge eines Druckanstiegs des Überdruckmediums entgegengewirkt werden. Insbesondere kann hierdurch erreicht werden, dass der Verstärkungskörper nach einer Fahrzeugkollision nicht mehr oder nur noch in geringerem Maße als zuvor mit einem unter Druck stehenden Überdruckmedium beaufschlagt oder befüllt ist.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Entwicklung eine Kraftfahrzeugkarosserie mit einem Fahrzeugboden und mit einer zuvor beschriebenen Strukturverstärkung, welche im oder am Kraftfahrzeugboden angeordnet ist. Bevorzugt ist die Strukturverstärkung an einer linken oder rechten Kraftfahrzeugseite des Fahrzeugbodens angeordnet. Insoweit können auch mehrere der zuvor beschriebenen Strukturverstärkungen am Kraftfahrzeugboden, etwa an gegenüberliegenden linken und rechten Außenseiten des Kraftfahrzeugbodens angeordnet sein.
Die Strukturverstärkungen bilden insbesondere einen Seitenaufprallschutz für den Fahrzeugboden. Weist das Kraftfahrzeug am oder im Kraftfahrzeugboden ein Energiereservoir, etwa in Form einer Traktionsbatterie auf, so können die Strukturverstärkungen als Seiten-Aufprallschutz für das entsprechende Energiereservoir fungieren. Ungeachtet dessen kann die am Fahrzeugboden angeordnete Strukturverstärkung auch zu einer strukturellen Versteifung bzw. mechanischen Verstärkung des Kraftfahrzeugbodens, etwa der außenliegenden Seitenschweller beitragen. Deren Eindring- bzw. Intrusionsverhalten bei einem Seitenaufprall kann mittels den hier vorgesehenen Strukturverstärkungen verbessert werden.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Fahrzeugboden einen längserstreckten Seitenschweller auf. Die Strukturverstärkung ist dabei, bezogen auf die Fahrzeugquerrichtung (y) unmittelbar angrenzend an den längserstreckten Seitenschweller am Fahrzeugboden angeordnet. Sie erstreckt sich in etwa parallel zum Seitenschweller des Fahrzeugbodens. Die Strukturverstärkung, insbesondere deren Verstärkungskörper kann, bezogen auf die Fahrzeughochachse, etwa in gleicher Höhe wie der Seitenschweller angeordnet sein. Der Verstärkungskörper kann eine Erstreckung entlang der Fahrzeughochachse (z) aufweisen, die in etwa der entsprechenden Dimension des Seitenschwellers entspricht.
Von Vorteil ist der Verstärkungskörper innenliegend am Seitenschweller angeordnet. Er kann unmittelbar angrenzend an den Seitenschweller angeordnet sein. Er kann auch unmittelbar mit dem Seitenschweller verbunden, beispielsweise mit diesem verschweißt oder verklebt sein.
Eine spaltfreie oder nahezu spaltfreie Montage des Verstärkungskörpers innenliegend am Seitenschweller ermöglicht eine unmittelbare Lastübertragung vom Seitenschweller in den Verstärkungskörper und eine demgemäß unmittelbare vom Verstärkungskörper ausgehende strukturelle Verstärkung für den Seitenschweller.
Von Vorteil sind sowohl an der linken als auch an der rechten Seite der Kraftfahrzeugkarosserie jeweils eine zuvor beschriebene Strukturverstärkung für den jeweils linken und rechten Seitenschweller vorgesehen und hieran ggf. angeordnet.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist im oder am Fahrzeugboden ein Energiereservoir angeordnet oder es ist hieran anordenbar. Die Strukturverstärkung ist dabei, bezogen auf die Fahrzeugquerrichtung (y) unmittelbar angrenzend zum Energiereservoir am Fahrzeugboden angeordnet oder sie ist unmittelbar angrenzend zum Energiereservoir am Fahrzeugboden anordenbar. Bei einem Seitenaufprall kann die Strukturverstärkung primär als Aufprallschutz für das Energiereservoir fungieren.
Die Strukturverstärkung liegt hierbei typischerweise an den in Fahrzeugquerrichtung (y) liegenden Außenseiten der Traktionsbatterie oder des Energiereservoirs an.
Extern von außen in die Strukturverstärkung eingeleitete Verformungskräfte können über das Überdruckmedium vergleichsweise homogen im und über den Verstärkungskörper verteilt werden, sodass etwaige, von außen auftretende Punktbelastungen, wie sie typischerweise bei einer Kollision mit einem Pfahl auftreten, in Längsrichtung des Verstärkungskörpers homogenisiert und dementsprechend abgeschwächt und/oder über eine vergleichsweise große Fläche verteilt an das Energiereservoir, bzw. dessen Gehäuse übertragen werden können. Beschädigungen des Energiereservoirs können auf diese Art und Weise vermieden, zumindest aber deutlich reduziert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Kraftfahrzeugkarosserie weist das Energiereservoir eine aufladbare Traktionsbatterie auf. Insoweit kann nahezu der gesamte Bodenbereich der Kraftfahrzeugkarosserie mit der Traktionsbatterie versehen sein. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass sich die Strukturverstärkung in Fahrzeuglängsrichtung entlang der gesamten Traktionsbatterie erstreckt.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Strukturverstärkung, bezogen auf die Fahrzeugquerrichtung (y) zwischen der Traktionsbatterie und dem Seitenschweller angeordnet sein. Insbesondere kann die Strukturverstärkung einen ohnehin vorgesehenen Freiraum im Unterbodenbereich zwischen der Traktionsbatterie und dem Seitenschweller ausfüllen. Dies kann sich auch unter aerodynamischen Gesichtspunkten als vorteilhaft erweisen und insoweit den Luftwiderstand der Kraftfahrzeugkarosserie reduzieren.
Gegebenenfalls und je nach der sich bietenden konkreten Einbausituation des Kraftfahrzeugs kann die Strukturverstärkung womöglich auch für bereits bestehende Fahrzeugkonzepte nachgerüstet werden.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Kraftfahrzeug mit einer zuvor beschriebenen Kraftfahrzeugkarosserie. Das Kraftfahrzeug weist ferner eine Steuerung und einen Kollisionssensor auf. Der Kollisionssensor, welcher typischerweise als Beschleunigungssensor ausgestaltet ist, kann mit der Steuerung datentechnisch bzw. signalübertragend verbunden sein. Die Steuerung ist dazu ausgestaltet, infolge einer mittels des Kollisionssensors detektierbaren Kollision des Kraftfahrzeugs den Gasgenerator zum Einleiten des Überdruckmediums in den Hohlraum der Strukturverstärkung anzusteuern. Insbesondere kann die Steuerung den Gasgenerator zünden, sodass das vom Gasgenerator generierbare Gas als Überdruckmedium in den Hohlraum des Verstärkungskörpers zur strukturellen Verstärkung desselben einströmen kann.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung schließlich ein Verfahren zur Strukturverstärkung und/oder zur Bildung eines Aufprallschutzes eines Kraftfahrzeugbodens bzw. für einen Kraftfahrzeugboden unter Verwendung einer zuvor beschriebenen Kraftfahrzeugkarosserie.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mittels eines Kollisionssensors eine Fahrzeugkollision detektiert wird. Infolge einer Detektion der Fahrzeugkollision wird alsdann mittels einer Steuerung und eines hiermit signaltechnisch verbundenen Gasgenerators ein Überdruckmedium in den Hohlraum des Verstärkungskörpers eingeleitet.
Insbesondere kann infolge der detektierten Fahrzeugkollision der Gasgenerator gezündet werden, sodass das von ihm generierbare Gas quasi schlagartig oder explosionsartig in den Verstärkungskörper eingeleitet oder in diesem erzeugt wird.
Zeitlich versetzt hierzu und als Reaktion auf den Druckanstieg im Hohlraum des Verstärkungskörpers kann überschüssiges Überdruckmedium aus dem Hohlraum entweichen. Dies kann über die bereits erwähnte Überdrucköffnung, bzw. mittels des drucksensitiven Verschlusses erfolgen.
Auf diese Art und Weise kann erreicht werden, dass nach vollzogener Kollision der Hohlraum des Verstärkungskörpers kein Überdruckniveau mehr aufweist, sondern dass im Inneren des Hohlraums quasi der Umgebungsdruck herrscht. Dies erweist sich für die Bergung und/oder Reparatur des Kraftfahrzeugs als besonders vorteilhaft.
Figurenliste
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Entwicklung werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine perspektivischen Ansicht eines Beispiels eines Kraftfahrzeugs mit einer Strukturverstärkung im Bodenbereich von schräg unten betrachtet,
2 eine schematische Darstellung des Bodenbereichs des Kraftfahrzeugs mit einem Energiereservoir und mit zwei Strukturverstärkungen,
3 eine perspektivische, teils geschnittene Darstellung der am Kraftfahrzeugboden angeordneten Strukturverstärkung gemäß 2,
4 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der 3,
5 eine perspektivische, teils geschnittene Darstellung des Kraftfahrzeugs im Falle einer Seitenkollision,
6 eine schematische perspektivische Darstellung der Aktivierung des Gasgenerators,
7 eine isolierte perspektivische Darstellung der Strukturverstärkung,
8 eine vergrößerte, teils geschnittene Darstellung der Strukturverstärkung bei Auslösung bzw. Zündung des Gasgenerators,
9 ein Druck-Zeit-Diagramm des Hohlraums des Verstärkungskörpers infolge einer Kollision,
10 ein Diagramm der entweichenden Masse über die Zeit der Strukturverstärkung im Falle einer Kollision,
11 ein Diagramm des Volumens der Strukturverstärkung über die Zeit bei einer Kollision und
12 eine Diagramm der Masse im Inneren des Hohlraums des Verstärkungskörpers über die Zeit bei einer Kollision und
13 ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Strukturverstärkung bzw. zum Aufprallschutz des Kraftfahrzeugbodens.

Detaillierte Beschreibung
Das in den 1 bis 8 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 1 weist eine Kraftfahrzeugkarosserie 2 mit einem als Fahrgastzelle fungierenden Innenraum 3 auf. Nach unten hin ist der Innenraum 3 von einem Fahrzeugboden 4 begrenzt. Am Fahrzeugboden 4, bzw. unterhalb eines Bodenblechs 6 ist ein Energiereservoir 5, vorliegend in Form einer Traktionsbatterie 7, angeordnet, welche als aufladbare Traktionsbatterie 7 ausgestaltet ist. Den gegenüberliegenden Außenseiten, mithin an der linken und der rechten Außenseite des Fahrzeugbodens 4 ist jeweils ein tragendes Strukturbauteil 8, etwa in Form eines Seitenschwellers 9 vorgesehen. Der Seitenschweller 9 kann ein geschlossenes oder offenes Hohlprofil aufweisen. Er erstreckt sich typischerweise im Bodenbereich zwischen der Vorderachse und der Hinterachse.
Ein Zwischenraum zwischen den Seitenschwellern 9 und der Traktionsbatterie 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer Strukturverstärkung 10 versehen. Die Strukturverstärkung 10 befindet sich, in Fahrzeugquerrichtung (y) betrachtet, zwischen der Traktionsbatterie 7 und den Seitenschwellern 9.
In den 7 und 8 ist eine Ausführungsform der Strukturverstärkung 10 detailliert gezeigt. Die Strukturverstärkung 10 weist einen Verstärkungskörper 11 mit einem gasdicht verschlossenen Hohlraum 20 auf. Der Verstärkungskörper 11 weist hierbei ein längserstrecktes Verstärkungsprofil 12 auf. Das Verstärkungsprofil 12 weist eine kubische Gestalt bzw. kubische Geometrie auf. Das Verstärkungsprofil 12 ist als längserstrecktes Verstärkungsprofil ausgestaltet. Es weist in der vorliegenden Ausführungsform eine erste Seitenwand 14 und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand 15 auf.
Die gegenüberliegenden Seitenwände 14, 15 erstrecken sich parallel zueinander. Obenliegende Bereiche der Seitenwände 14, 15 sind über eine Decke 17 miteinander verbunden. Demgegenüber ist ein Boden 16 vorgesehen, welcher sich an und entlang der untenliegenden Endabschnitte der gegenüberliegenden Seitenwände 14, 15 erstreckt und diese strukturell miteinander verbindet. Die Seitenwände 14, 15, der Boden 16 und die Decke 17 können einstückig aus einem Metall gefertigt sein. Das so gebildete Verstärkungsprofil 12 kann als Extrusionsbauteil ausgestaltet sein. Es ist aber auch denkbar, dass das Verstärkungsprofil 12 ein rollumgeformtes oder anderweitig geformtes Metallbauteil aufweist.
Die Längsenden des Verstärkungsprofils 12, mithin des Verstärkungskörpers 11 sind mit gegenüberliegenden Stirnwänden 18, 19 gasdicht verschlossen. Insoweit weist der Innenraum des Verstärkungskörpers 11 einen gasdicht verschlossenen Hohlraum 20 auf. Der Hohlraum 20 ist bei einer passiven Ausgestaltung der Strukturverstärkung mit einem Überdruckmedium 33 befüllt. Das Überdruckmedium kann dabei beispielsweise mit einem das Verstärkungsprofil 12 durchsetzenden Ventil in den Hohlraum 20 eingebracht werden. Über ein entsprechendes Ventil (nicht gezeigt) kann der Druck des Überdruckmediums 33 im Hohlraum 20 kontrolliert und ggf. bedarfsgerecht reguliert werden.
In den 7 und 8 ist eine aktive Ausgestaltung der Strukturverstärkung 10 gezeigt. Diese ist mit einem Gasgenerator 30 versehen, welcher beispielsweise in der Decke 17 eingelassen ist. Der Gasgenerator 30 weist einen Zünder 32 auf, welcher durch signaltechnische Kopplung mit einer Steuerung 50 von der betreffenden Steuerung 50 des Kraftfahrzeugs 1 bedarfsgerecht aktiviert, bzw. elektrisch gezündet werden kann. Die Steuerung 50 ist typischerweise mit zumindest einem Kollisionssensor 60 signaltechnisch gekoppelt. Der Sensor 60 kann als Beschleunigungssensor implementiert sein, um eine Fahrzeugkollision und die hiermit einhergehenden Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskräfte zu messen.
Die Steuerung 50 und der Sensor 60 können auch in eine bestehende AirbagSteuerung des Kraftfahrzeugs 1 integriert sein oder als Teil derselben ausgestaltet sein.
Der Gasgenerator 30 weist einen außenliegenden Außenkörper 34 und einen innenliegenden Innenkörper 36 auf. Infolge einer Zündung oder Aktivierung erzeugt der Gasgenerator 30 ein gasförmiges Überdruckmedium 33, welches vom im Hohlraum 20 angeordneten Innenkörper 36 des Gasgenerators 30 ausströmen kann.
Der Verstärkungskörper 11 bzw. das Verstärkungsprofil 12 ist ferner mit einer Überdrucköffnung 21 versehen. Diese kann mit einem drucksensitiven Verschluss 22 im Auslieferungszustand verschlossen sein. Steigt etwa kollisionsbedingt der Druck im Inneren des Hohlraums 20 an, so gibt der drucksensitive Verschluss 22 die Überdrucköffnung 21 zumindest bereichsweise frei, sodass überschüssiges Überdruckmedium 33 kontrolliert aus dem Hohlraum 20 ausströmen kann.
Die Strukturverstärkung 10, insbesondere ihr Verstärkungsprofil 12 weist eine vergleichsweise große Längserstreckung entlang der Fahrzeuglängsrichtung (x) auf. Sie kann sich nahezu über die gesamte Länge der Traktionsbatterie 7 erstrecken. Auf diese Art und Weise können an unterschiedlichen Längspositionen in den Kraftfahrzeugboden 4 einwirkende Kräfte gleichermaßen abgefangen, gedämpft, bzw. egalisiert werden.
Eine beispielsweise kollisionsbedingte Verformung des Seitenschwellers 9, wie etwa in 5 durch Kollision mit einem Hindernis 40 angedeutet, kann zu einer punktuellen Verformung des Seitenschwellers 9 führen, die ohne das Überdruckmedium 33 im Hohlraum 20 der Strukturverstärkung 10 zu einer dementsprechenden punktuellen Verformung der Strukturverstärkung bzw. ihres Verstärkungskörpers 11 führen würde.
Dadurch dass der Hohlraum 20 mit dem Überdruckmedium 33 befüllt ist oder im Falle der Kollision unmittelbar und schlagartig befüllt wird, bevor entsprechende Verformungskräfte zum Tragen kommen, kann der Verformung des Verstärkungskörpers 11 entgegengewirkt werden. Der Verstärkungskörper kann hierbei in ihn eingeleitete Verformungskräfte aufgrund der Druck- bzw. Kraftübertragung durch das Überdruckmedium 33 die extern eingeleiteten Kräfte vergleichsweise sanft abfangen und dämpfen. Die Traktionsbatterie 7 kann auf diese Art und Weise weitgehend schadfrei gehalten, bzw. können etwaige Beschädigungen auf ein Minimum reduziert werden. Gleichermaßen kann das Überdruckmedium 33 einer ansonsten kollisionsbedingten Verformung der Strukturverstärkung 10 entgegenwirken und somit auch, insbesondere durch eine unmittelbare und wechselseitige Anlage von Strukturverstärkung 10 und Seitenschweller 9 auch zu einer strukturellen Verstärkung des Seitenschwellers 9 beitragen.
In den 9 bis 12 sind unterschiedliche Diagramme über die Zeit unmittelbar nach Eintreten eines Kollisionsfalls dargestellt. Im Druck-Zeit-Diagramm 100 gemäß 9 ist zu erkennen, dass zu einem Zeitpunkt t₁ der Druck im Hohlraum 20 zunächst geringfügig, bis zu einem Zeitpunkt t₂, ansteigt und auf einem Plateau verharrt. Dieser etwas zeitverzögerte Druckanstieg ist damit zu erläutern, dass zu einem Zeitpunkt t₃, welcher zeitlich zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ liegt, der drucksensitive Verschluss 22 der Überdrucköffnung 21 infolge des Druckanstiegs bereits öffnet.
Der Zustrom des Überdruckmediums 33 in den Hohlraum 20 beginnt mit dem Zeitpunkt t₁, wie im Diagramm 400 gemäß 12 ersichtlich. Er steigt überproportional stark an und nähert sich nach einer gewissen zeit asymptotisch einem oberen Maximalwert an. Jener starke Anstieg ist dadurch bedingt, dass der aus der Überdrucköffnung 21 entweichende Luftmassestrom deutlich kleiner ist als der vom Gasgenerator 30 erzeugbare und in den Hohlraum 20 einströmende Gasstrom. Nach Verstreichen des Zeitpunkts t₂, welcher nur einige wenige Millisekunden nach Detektion der Kollision liegt, steigt der Druck im Hohlraum 20 exponentiell an und erreicht zu einem Zeitpunkt t₄ sein Maximum. Infolge des Druckanstiegs entweicht auch immer mehr Masse aus der Überdrucköffnung 21. Der Masseanstieg ist hier gem. 10 nahezu linear.
In 10 ist ferner gezeigt, dass sich der Verstärkungskörper infolge der schlagartigen Ausdehnung des Überdruckmediums in den Hohlraum 20 ebenfalls zumindest geringfügig ändert.
Im Diagramm 300 der 11 ist ein schlagartiger Volumenzuwachs zu einem Zeitpunkt t₅ zu beobachten, welcher anschließend, etwa zum Zeitpunkt t₆ ein Minimum erreicht, welches auf die kollisionsbedingte Deformation des Verstärkungskörpers zurückzuführen ist. Die Volumenänderung des ansonsten formstabilen Verstärkungskörpers beträgt nur einige wenige Promille oder Prozent des ursprünglichen Volumens des Verstärkungskörpers im Ausgangszustand.
Das Flussdiagramm der 13 illustriert schließlich das Verfahren zur Strukturverstärkung des Kraftfahrzeugbodens. In einem ersten Schritt 500 wird mittels eines Kollisionssensors 60 eine Kraftfahrzeugkollision detektiert. Im nachfolgenden Schritt 502 sendet der Kollisionssensor 60 entsprechende Signale an eine Steuerung 50. Die Steuerung 50 generiert im Schritt 504 ein Steuersignal für den Gasgenerator 30 und sendet dieses an den Gasgenerator 50. Im anschließenden Schritt 506 wird der Gasgenerator 30 gezündet, sodass das Überdruckmedium 33 in den Hohlraum 20 einströmt und den Druck im Hohlraum zur strukturellen Verstärkung des formstabilen Verstärkungskörpers 11 bestimmungsgemäß und zumindest temporär, nämlich für die Dauer der Kollision erhöht.
Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltungen der Entwicklung, zu welcher im Rahmen der Entwicklung weitere zahlreiche Varianten denkbar sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Entwicklung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine oder einige mögliche Implementierung(en) eines Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Kraftfahrzeugkarosserie
3: Innenraum
4: Fahrzeugboden
5: Energiereservoir
6: Bodenblech
7: Traktionsbatterie
8: Strukturbauteil
9: Seitenschweller
10: Strukturverstärkung
11: Verstärkungskörper
12: Verstärkungsprofil
14: Seitenwand
15: Seitenwand
16: Boden
17: Decke
18: Stirnwand
19: Stirnwand
20: Hohlraum
21: Öffnung
22: Verschluss
30: Gasgenerator
32: Zünder
33: Überdruckmedium
34: Außenkörper
36: Innenkörper
40: Hindernis
50: Steuerung
60: Sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10597084 B2 [0003]

Claims

Strukturverstärkung (10) für eine Kraftfahrzeugkarosserie (2), mit einem formstabilen Verstärkungskörper (11) zur Anordnung an oder in der Kraftfahrzeugkarosserie (2), wobei der Verstärkungskörper (11) einen gasdicht verschlossenen Hohlraum (20) aufweist, welcher mit einem Überdruckmedium (33) befüllt oder befüllbar ist.
Strukturverstärkung (10) nach Anspruch 1, wobei der Verstärkungskörper (11) ein geschlossenes und längserstrecktes Verstärkungsprofil (12) aufweist.
Strukturverstärkung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verstärkungskörper (11) entlang seiner Längsrichtung ein homogenes und gleichbleibendes Querschnittsprofil aufweist.
Strukturverstärkung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verstärkungskörper (11) ein rechteckiges oder quadratisches Querschnittsprofil aufweist.
Strukturverstärkung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verstärkungskörper (11) eine erste Seitenwand (14) und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand (15) sowie einen sich zwischen der ersten und der zweiten Seitenwand (14, 15) erstreckenden Boden (16) und einen dem Boden gegenüberliegenden Decke (17) aufweist.
Strukturverstärkung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verstärkungskörper (11) ein Metallkörper ist.
Strukturverstärkung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (20) mit einem Gasgenerator (30) versehen oder hiermit strömungstechnisch verbunden ist und wobei der Gasgenerator (30) dazu ausgestaltet ist, ein gasförmiges Überdruckmedium (33) in den Hohlraum (20) einzuleiten.
Strukturverstärkung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verstärkungskörper (11) zumindest eine Überdrucköffnung (21) aufweist, mittels welcher überschüssiges Überdruckmedium (33) aus dem Hohlraum (20) entweichen kann.
Strukturverstärkung (10) nach Anspruch 8, wobei die Überdrucköffnung (21) mit einem drucksensitiven Verschluss (22) verschlossen oder verschließbar ist, welcher dazu ausgestaltet ist, infolge eines Druckanstiegs des Überdruckmediums (33) im Hohlraum (20) oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, die Überdrucköffnung (21) zum Entweichen des Überdruckmediums (33) freizugeben.
Kraftfahrzeugkarosserie mit einem Fahrzeugboden (4) und mit einer im oder am Fahrzeugboden (4) angeordneten Strukturverstärkung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeugkarosserie nach Anspruch 10, wobei der Fahrzeugboden (4) einen längserstreckten Seitenschweller (9) aufweist und wobei die Strukturverstärkung (10) bezogen auf die Fahrzeugquerrichtung (y) unmittelbar angrenzend an den längserstreckten Seitenschweller (9) am Fahrzeugboden (4) angeordnet ist und sich in etwa parallel zum Seitenschweller (9) erstreckt.
Kraftfahrzeugkarosserie nach Anspruch 10 oder 11 wobei im oder am Fahrzeugboden (4) ein Energiereservoir (5) angeordnet oder anordenbar ist und wobei die Strukturverstärkung (10) bezogen auf die Fahrzeugquerrichtung (y) unmittelbar angrenzend zum Energiereservoir (5) am Fahrzeugboden (4) angeordnet ist.
Kraftfahrzeugkarosserie (2) nach Anspruch 12, wobei das Energiereservoir (5) eine aufladbare Traktionsbatterie (7) aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeugkarosserie nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, ferner mit einer Steuerung (50) und mit einem Kollisionssensor (60), wobei die Steuerung (50) dazu ausgebildet ist, infolge einer mittels des Kollisionssensors (60) detektierbaren Kollision des Kraftfahrzeugs (1), den Gasgenerator (30) zum Einleiten des Überdruckmediums (33) in den Hohlraum (20) anzusteuern.
Verfahren zur Strukturverstärkung eines Kraftfahrzeugbodens (4) unter Verwendung einer Kraftfahrzeugkarosserie (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 12, wobei: - mittels eines Kollisionssensors (60) eine Fahrzeugkollision detektiert wird, und - infolge einer Detektion der Fahrzeugkollision, mittels einer Steuerung (50) und eines hiermit signaltechnisch verbunden Gasgenerators (30) ein Überdruckmedium (33) in den Hohlraum (20) des Verstärkungskörpers (11) eingeleitet wird.