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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft eine Schwelleranordnung für ein Fahrzeug, die einen Einsatz enthält, welcher eine abgesetzte Wabenstruktur aufweist, die das Ausmaß des Eindringens in Richtung eines Batteriepacks reduziert und eine Beschleunigung des Batteriepacks bei einem Seitenpfahlaufprall reduziert.
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HINTERGRUND
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Schwelleranordnungen werden zwischen dem vorderen und hinteren Radkasten und unter den Türen eines Fahrzeugs bereitgestellt, um Widerstand gegenüber einem Eindringen in den Fahrgastraum bei Seitenaufprallkollisionen bereitzustellen. Schwelleranordnungen können ein äußeres Schwellerblech enthalten, das mit einem Seitenteil zusammengefügt ist. Verschiedene interne Verstärkungen wurden zum Verstärken von Schwelleranordnungen vorgeschlagen.
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Elektrofahrzeuge können mit einer am Unterboden befestigten Batterie versehen sein, die einen elektrischen Traktionsmotor mit Strom versorgt. Batterien für ein Hybrid-Elektrofahrzeug können zwischen einem Haupttunnel und der Schwelleranordnung an beiden Seiten des Fahrzeugs angebracht sein. Um den Unterbodenbatteriepack herum wird Raum bereitgestellt, um die potentielle Möglichkeit einer plastischen Verformung des Batteriepacks zu reduzieren. Wenn die Schwelleranordnung zu weich ist, stellt sie womöglich nur unzulänglichen Schutz gegenüber einem Eindringen bei Seitenaufprallkollisionen bereit.
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Batterien für Hybrid-Elektrofahrzeuge können durch einen Aufprall beschädigt werden. Der Batteriepack kann in einer Kollision beschädigt werden, wenn der Aufprall eine Beschleunigungsspitze verursacht, insbesondere wenn die Beschleunigungsspitze von längerer Dauer ist. Wenn die Schwelleranordnung zu starr ist, kann eine durch einen Seitenaufprall verursachte Beschleunigung des Batteriepacks eine längere Spitze von erheblicher Dauer erzeugen und kann einen Schaden an den internen Batterieverbindungen verursachen.
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Diese Offenbarung bezieht sich auf die Lösung der obengenannten Probleme und anderer Probleme wie unten zusammengefasst.
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KURZFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung wird ein Träger offenbart, der ein erstes Blech und ein zweites Blech, das in Verbindung mit dem ersten Blech einen Hohlraum definiert, enthält. Ein Einsatz ist innerhalb des Hohlraums montiert, der benachbart zum ersten Blech einen äußeren Abschnitt mit einer Biegesteifigkeit S1 aufweist. Der Einsatz weist auch einen inneren Abschnitt mit einer Biegesteifigkeit S2 auf, die größer ist als S1, wobei der Träger als Reaktion auf einen Aufprall auf das erste Blech progressiv kollabiert, wobei der äußere Abschnitt relativ zum inneren Abschnitt bevorzugt kollabiert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung kann das erste Blech ein äußeres Schwellerblech sein und das zweite Blech kann ein Seitenschwellenblech sein.
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Der äußere Abschnitt des Einsatzes kann ein erstes zellenförmiges Netzwerk sein, das eine erste Vielzahl von Zellen enthält, die miteinander verbunden sind, um einen ersten ebenen Körper zu bilden, und der innere Abschnitt des Einsatzes kann ein zweites zellenförmiges Netzwerk sein, das eine zweite Vielzahl von Zellen enthält, die miteinander verbunden sind, um einen zweiten ebenen Körper zu bilden. Die erste und zweite Vielzahl von Zellen können sechseckige Zellen sein, die durch untereinander verbundene gemeinsame Zellenwände gebildet werden, welche Öffnungen definieren, die sich senkrecht relativ zur Länge des Trägers erstrecken.
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Der äußere Abschnitt des Einsatzes kann eine erste Platte sein, die durch eine erste Vielzahl von untereinander verbundenen sechseckigen Zellen gebildet wird, und der innere Abschnitt des Einsatzes kann eine zweite Platte sein, die durch eine zweite Vielzahl von untereinander verbundenen sechseckigen Zellen gebildet wird. Die erste und zweite Platte kann aus Aluminium gebildet sein.
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Der Einsatz kann ferner einen Zwischenabschnitt mit einer Biegesteifigkeit S3, die geringer ist als S2 und größer als S1, umfassen, und wobei der Zwischenabschnitt zwischen dem äußeren Abschnitt und dem inneren Abschnitt angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung wird eine Schwelleranordnung für ein Fahrzeug bereitgestellt, die ein äußeres Blech, eine Seitenschwelle und einen in einem Hohlraum angeordneten Einsatz umfasst. Der Einsatz enthält eine Vielzahl von Schichten aus Verstärkungen, die untereinander verbundene Wände aufweisen, welche eine Vielzahl von sich quer erstreckenden offenen Zellen definieren. Eine Wanddicke einer aus der Vielzahl von Schichten aus Verstärkungen ist von einer Wanddicke einer anderen aus der Vielzahl von Schichten aus Verstärkungen verschieden.
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Die offenen Zellen sind sechseckig, und die Vielzahl von sich quer erstreckenden offenen Zellen kann durch untereinander verbundene gemeinsame Zellenwände gebildet werden, die Öffnungen definieren, welche sich senkrecht relativ zur Länge der Schwelleranordnung erstrecken.
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Die Vielzahl von Schichten aus Verstärkungen kann ferner eine erste Schicht aus Zellen, eine zweite Schicht aus Zellen und eine dritte Schicht aus Zellen umfassen, wobei die erste Schicht aus Zellen am äußeren Blech montiert ist, die zweite Schicht aus Zellen an der Seitenschwelle montiert ist und die dritte Schicht aus Zellen zwischen der ersten und zweiten Schicht aus Zellen angeordnet ist. Die zweite Schicht aus Zellen weist eine Wanddicke auf, die größer ist als die Wanddicke der dritten Schicht aus Zellen. Die dritte Schicht aus Zellen kann eine Wanddicke aufweisen, die größer ist als die erste Schicht aus Zellen.
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Die Vielzahl von Schichten aus Verstärkungen kann ferner eine erste Schicht aus Zellen und eine zweite Schicht aus Zellen umfassen, wobei die erste Schicht aus Zellen am äußeren Blech montiert ist und die zweite Schicht aus Zellen an der Seitenschwelle montiert ist, wobei die zweite Schicht aus Zellen eine Wanddicke aufweist, die größer ist als die Wanddicke der ersten Schicht aus Zellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung wird eine Schwelleranordnung für ein Fahrzeug offenbart, die ein äußeres Blech und eine mit dem äußeren Blech einen Hohlraum definierende Seitenschwelle umfasst. Ein innerhalb des Hohlraums montierter Einsatz enthält eine erste Schicht, die durch eine erste Vielzahl von offenen Zellen gebildet ist, welche durch eine erste Vielzahl von Wänden definiert sind, die eine erste Wanddicke aufweisen, und eine zweite Schicht, die durch eine zweite Vielzahl von offenen Zellen gebildet ist, welche durch eine zweite Vielzahl von Wänden definiert sind, die eine zweite Wanddicke aufweisen, welche von der ersten Wanddicke verschieden ist.
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Die erste und zweite Vielzahl von offenen Zellen kann aus untereinander verbundenen sechseckig geformten Zellen bestehen.
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Die erste Vielzahl von offenen Zellen kann an dem äußeren Blech montiert sein, und die zweite Vielzahl von offenen Zellen kann an der Seitenschwelle montiert sein, wobei die zweite Vielzahl von offenen Zellen eine Wanddicke aufweist, die größer ist als die Wanddicke der ersten Vielzahl von offenen Zellen.
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Die erste Vielzahl von offenen Zellen kann an dem äußeren Blech montiert sein, die zweite Vielzahl von offenen Zellen kann an der Seitenschwelle montiert sein und eine dritte Vielzahl von offenen Zellen kann zwischen der ersten Vielzahl von offenen Zellen und der zweiten Vielzahl von offenen Zellen angeordnet sein. Die zweite Vielzahl von offenen Zellen kann eine Wanddicke aufweisen, die größer ist, als die Wanddicke der dritten Vielzahl von offenen Zellen, und die dritte Vielzahl von offenen Zellen kann eine Wanddicke aufweisen, die größer ist als die Wanddicke der ersten Vielzahl von offenen Zellen.
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Die erste und zweite Vielzahl von offenen Zellen kann durch untereinander verbundene gemeinsame Zellenwände gebildet sein, die Öffnungen definieren, die sich senkrecht relativ zur Länge der Schwelleranordnung erstrecken.
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Die obengenannten Aspekte und andere Aspekte dieser Offenbarung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Ansicht von unten eines Fahrzeugs aus dem Stand der Technik, das einen Batteriepack enthält, welcher zwischen den Schwelleranordnungen und unter dem Boden des Fahrgastraumes an dem Fahrzeug angebracht ist.
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2 ist eine Teilquerschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in 1 eines Fahrzeugs aus dem Stand der Technik, das eine herkömmliche Schwelleranordnung aufweist.
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3A ist eine Teilquerschnittsansicht eines Fahrzeugs, das eine Schwelleranordnung mit einem Einsatz aufweist, der eine Vielzahl von Schichten aus untereinander verbundenen in der Schwelleranordnung angeordneten Zellen enthält.
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3B ist eine Teilquerschnittsansicht entlang der Linie 3B-3B in 3A.
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4A–4C veranschaulichen eine Computersimulation eines Seitenaufpralls des Fahrzeugs vor dem Aufprall (0 ms), an einem Zwischenpunkt während des Aufprallereignisses (30 ms) und beim maximalen Eindringen des Aufprallereignisses (50 ms).
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5A–5C veranschaulichen eine Computersimulation eines Seitenaufpralls, der auf die drei Schichten untereinander verbundener sechseckiger zellenförmiger Gruppen aufgebracht wird, vor dem Aufprall (0 ms), an einem Zwischenpunkt während des Aufprallereignisses (30 ms) und beim maximalen Eindringen des Aufprallereignisses (50 ms).
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6 ist eine grafische Darstellung, die das Ausmaß des Eindringens (mm) über der Zeit (ms) für einen simulierten Aufprall vergleicht, der auf eine Schwelleranordnung ohne Einsatz und auf eine Schwelleranordnung mit Einsatz aufgebracht wird.
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7 ist eine grafische Darstellung, die die Batteriebeschleunigung (g) über der Zeit (ms) für einen simulierten Aufprall vergleicht, der auf eine Schwelleranordnung ohne Einsatz und auf eine Schwelleranordnung mit Einsatz aufgebracht wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die dargestellten Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen offenbart. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sein sollen, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die offenbart werden, sind nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die offenbarten Konzepte umzusetzen sind.
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Mit Bezug auf 1 wird der Unterbau eines Fahrzeugs 10 veranschaulicht. Eine Schwelleranordnung 12, auch als länglicher Träger bezeichnet, ist auf der rechten und auf der linken Seite des Fahrzeugs 10 angeordnet. Ein Haupttunnel 14 erstreckt sich längs zwischen den Schwelleranordnungen 12 und bildet einen Teil der Bodenwanne 16 des Fahrzeugs 10. Die Bodenwanne 16 liegt unter dem Fahrgastraum des Fahrzeugs 10 und ist mit einer Unterbodenbatterie 18 veranschaulicht, die unter der Bodenwanne 16 mit Klammern, die durch die Unterbodenstruktur bereitgestellt werden, angebracht ist. Ein Schutzbereichskasten 20 ist mit dem Buchstaben „A“ beschriftet und ein Aufprallabsorbierungsbereichskasten 22 ist mit dem Buchstaben „B“ beschriftet. Das Fahrzeug 10 weist ein Paar Vorderräder 26 und ein Paar Hinterräder 28 auf. Die Schwelleranordnung 12 erstreckt sich zwischen den Radkästen der Vorderräder 26 und der Hinterräder 28. 1 wird als Stand der Technik identifiziert, aber es versteht sich, dass das in 1 dargestellte Fahrzeug den Schwellereinsatz enthalten kann, der durch verbundene sechseckige Zellen gebildet wird, die nicht sichtbar sind, weil sie innerhalb der Schwelleranordnung 12 angeordnet sind.
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Mit Bezug auf 2 wird eine bekannte Fahrzeugstruktur gezeigt, die eine Schwelleranordnung 12 auf einer Seite der Bodenwanne 16 und des Haupttunnels 14 enthält. Die Schwelleranordnung 12 enthält ein äußeres Schwellerblech 30 und eine Seitenschwelle 32, die zusammenmontiert sind, um den Hohlraum 34 zu definieren. Die Unterbodenbatterie 18 ist an der Bodenwanne 16 gesichert gezeigt, weiter in Richtung Fahrzeugmitte als der Schlittenkufenträger 36 und die Schwelleranordnung 12.
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Mit Bezug auf 3A wird eine Schwelleranordnung 12 gezeigt, die einen Hohlraum 34 definiert. Die Schwelleranordnung 12 enthält ein äußeres Schwellerblech 30 und die Seitenschwelle 32 aus dem Stand der Technik oder der in 2 gezeigten Basis-Schwelleranordnung 12. Ein Querelement 38 wird veranschaulicht, das oberhalb der Bodenwanne 16 und des Schlittenkufenträgers 36 angeordnet ist.
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Innerhalb des Hohlraums 34 ist ein äußerer Abschnitt 40 an dem äußeren Schwellerblech 30 angebracht gezeigt. Der äußere Abschnitt kann eine Platte aus sechseckigen Zellen oder eine „Waben“-Platte sein. Ein Zwischenabschnitt 42 (oder Platte aus sechseckigen Zellen) ist zwischen dem äußeren Abschnitt 40 und einem inneren Abschnitt 44 (oder Platte aus sechseckigen Zellen) angeordnet gezeigt.
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In einem Beispiel kann der äußere Abschnitt 40 eine Wanddicke von 0,4 mm aufweisen. Der Zwischenabschnitt 42 kann eine Wanddicke von 0,5 mm aufweisen und der innere Abschnitt 44 kann eine Wanddicke von 0,6 mm aufweisen. Der äußere Abschnitt 40 kann eine Biegesteifigkeit S1 aufweisen. Der innere Abschnitt 44 kann eine Biegesteifigkeit S2 aufweisen, während der Zwischenabschnitt 42 eine Biegesteifigkeit von S3 aufweisen kann. Die Biegesteifigkeit S1 ist geringer als die Biegesteifigkeit S2 und die Biegesteifigkeit S3 ist geringer als die Biegesteifigkeit S2. Die abgestufte Anordnung der Wabeneinsatz-Abschnitte soll eine progressive Deformierung des Einsatzes bereitstellen, wobei der äußere Abschnitt 40 leichter deformiert wird als der Zwischenabschnitt 42, der wiederum leichter deformiert wird als der innere Abschnitt 44. Der Träger ist zwar, wie beschrieben, eine Schwelleranordnung, aber es versteht sich, dass andere längliche Träger mit einem gemäß dieser Offenbarung hergestellten Einsatz verstärkt werden können, um eine progressive Deformierung bereitzustellen.
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Mit Bezug auf 3B wird eine Vielzahl von sechseckigen Zellen 46, aufgenommen durch den äußeren Abschnitt 40, veranschaulicht, die um eine Zentralachse erzeugt werden, die sich in einer Fahrzeugquerrichtung erstreckt. Die sechseckigen Zellen 46 weisen gemeinsame Zellenwände auf, die ein zellenförmiges Netzwerk 48 bilden. Der Zwischenabschnitt 42 und der innere Abschnitt 44 können dieselbe Struktur aufweisen wie der äußere Abschnitt 40, wobei die sechseckigen Zellen 46 ein zellenförmiges Netzwerk 48 in jedem der anderen Abschnitte bilden.
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Mit Bezug auf die 4A–4C wird die Deformierung des Unterbaus des Fahrzeugs bei 0 ms, 30ms bzw. 50 mm in den 4A, 4B bzw. 4C veranschaulicht. Bei 0ms, vor dem Beginn eines Seitenaufprallkollisionsereignisses, ist die Schwelleranordnung 12 an der Seite des Fahrzeugs (in 1 gezeigt) angebracht, benachbart zum Querelement 38 und dem Schlittenkufenträger 36 gezeigt. Die Bodenwanne 16 ist unter dem Querstück 38 angeordnet.
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Mit Bezug auf 4B wird bei 30ms die Deformierung des äußeren Schwellerblechs gezeigt, und nach dem anfänglichen Zusammendrücken des äußeren Abschnitts 40 beginnt ein zweites Teil, oder Zwischenteil, der Wabe zusammengedrückt zu werden. Energie wird durch die Wabe absorbiert, während sie progressiv deformiert wird.
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Mit Bezug auf 4C sind bei 50ms nach dem Aufprall die innere Wabe und die Schlittenkufe teilweise deformiert, und der äußere Abschnitt 40 und der Zwischenabschnitt 42 sind völlig deformiert. An diesem Punkt beginnt die Bodenwanne, Falten zu werfen, aber es tritt wenig oder gar keine Stauchung des Querstücks 38 auf.
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Mit Bezug auf die 5A–5C wird zwecks besserer Sichtbarkeit das Fortschreiten der Deformierung der abgestuften Wabenschichten isoliert gezeigt. Die Wabe ist aus dem äußeren Abschnitt 40, dem Zwischenabschnitt 42 und dem inneren Abschnitt 44 gemacht, die zum Beispiel Wanddicken von 0,4 mm, 0,5 mm und 0,6 mm aufweisen können. Bei 0ms vor einem Seitenaufprallkollisionsereignis gibt es keine Deformierung des Einsatzes, der drei Schichten umfasst, die innerhalb der Schwelleranordnung 12 oder des länglichen Trägers untergebracht sind.
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Mit Bezug auf 5B wird bei 30ms nach dem Aufprall der äußere Abschnitt 40 des Wabenkerns völlig deformiert und der Zwischenabschnitt 42 des Wabenkerns beginnt sich zu deformieren.
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Mit Bezug auf 5C ist bei 50ms nach dem Aufprall die erste Schicht des Wabenkerns völlig deformiert und die Zwischenschicht ist teilweise deformiert. Der innere Abschnitt 44 beginnt sich an diesem Punkt entlang der Kernwände zu deformieren. Es versteht sich, dass die Deformierung des Einsatzes, einschließlich des äußeren Abschnitts 40, des Zwischenabschnitts 42 und des inneren Abschnitts 44, progressiv verläuft. Die Deformierung des Einsatzes absorbiert die Aufprallenergie, und die progressive Ausgestaltung reduziert Beschleunigungskräfte, die auf die Unterbodenbatterie 18 wirken.
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Mit Bezug auf 6 werden Ergebnisse eines Seitenaufpralleindringtests (die Position des Aufpralls ist benachbart zur B-Säule), der eine Basis-Schwelleranordnung mit einer einen Wabeneinsatz gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung enthaltenden Schwelleranordnung vergleicht, bereitgestellt. Die Basis-Schwelleranordnung weist ein maximales Eindringen von etwa 30 mm bei 68 ms nach dem Aufprall auf. Im Vergleich wird das Eindringen bei einer Schwelleranordnung, die den gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung gemachten Wabeneinsatz enthält, auf ein maximales Eindringen von etwa 18 mm bei etwa 55 ms nach dem Seitenaufprallkollisionsereignis begrenzt.
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Mit Bezug auf 7 wird ein Vergleich von durch ein Seitenaufprallkollisionsereignis verursachten Batteriebeschleunigungen gezeigt. Beschleunigungsspitzen werden veranschaulicht. Wichtige Merkmale dieses Vergleichs sind, dass eine maximale Beschleunigung und Dauer der Beschleunigung verglichen werden. Die Basis-Batteriebeschleunigung wird durch die Linie 54 gezeigt und veranschaulicht zwei Beschleunigungsspitzen, die oberhalb der durch die Linie 58 gezeigten Beschleunigungsgrenze liegen. Die Batteriebeschleunigung bei einer Seitenaufprallkollision, wie auf den offenbarten wabenartig abgestuften Einsatz aufgebracht, wird durch die Linie 56 gezeigt. Die Batteriebeschleunigung mit dem Einsatz zeigt eine einzige Spitze, die eine maximale Beschleunigung von etwa 59 mm pro Sekunde bei etwa 17 ms aufweist. Diese Spitze ist weniger wichtig, weil sie vor dem Beginn einer wesentlichen Deformierung des Batteriepacks auftritt. Mit dem wabenartig abgestuften Einsatz gibt es eine verminderte Anzahl von Beschleunigungsspitzen. Die Dauer der Spitze für eine Schwelleranordnung ohne den Einsatz ist länger als die Dauer der Beschleunigungsspitzen mit dem Wabeneinsatz. Eine Schlußfolgerung aus dieser Simulation besteht darin, dass eine resultierende Spitzenbeschleunigung mit dem Wabeneinsatz im Vergleich zur Basisbeschleunigung um 12 % verringert ist.
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Der abgestufte Wabeneinsatz in der Schwelleranordnung ist stärker als die Schwelleranordnung ohne den Einsatz. Die Schwelleranordnung wird progressiv deformiert, wenn sie mit einem Wabeneinsatz versehen ist. Mit einem Wabeneinsatz in einer Schwelleranordnung kann etwa 40 % weniger Eindringen erreicht werden. Des Weiteren kann eine Reduzierung der Batteriebeschleunigung um etwa 17 % erreicht werden. Wenn die Schwelleranordnung den wabenartigen Schwellereinsatz enthält, ist der Tunnel 14 stabiler und wird weniger auf Stauchung beansprucht. Der Wabeneinsatz minimiert bei einer Seitenaufprallkollision auch eine Deformierung des Fahrzeugs. Der Wabeneinsatz ist leichtgewichtig und kann innerhalb des Hohlraums aufgenommen werden, der durch das Schwelleraußenblech und die Seitenschwelle definiert wird, ohne dass eine Änderung bei der Ausgestaltung der Schwelleranordnung oder des Fahrzeugs erforderlich ist. Da der Wabeneinsatz im Hohlraum angeordnet ist, werden die Kosten für das Aufnehmen des Einsatzes entsprechend reduziert.
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Der äußere Abschnitt 40, der Zwischenabschnitt 42 und der innere Abschnitt 44 werden in einer Ausführungsform unter Verwendung eines Strukturklebstoffs montiert. In einer weiteren Ausführungsform kann der abgesetzte Wabeneinsatz in einem Strangpressverfahren, oder Abformungsverfahren, gebildet werden, das einen Wabeneinsatz mit einer abgestuften Struktur, wie oben beschrieben, bereitstellt. Die Wanddicken des Einsatzes können von der Außenseite der Schwelleranordnung zur Innenseite in der Dicke progressiv größer werden.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind spezifische Beispiele, die nicht alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Die Merkmale der veranschaulichten Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der offenbarten Konzepte zu bilden. Die in der Spezifikation verwendeten Wörter sind beschreibende Worte und keine einschränkenden Worte. Der Schutzbereich der folgenden Ansprüche ist breiter als die namentlich offenbarten Ausführungsformen und umfasst auch Modifizierungen der veranschaulichten Ausführungsformen.
