EP3557117A2 - Druckbehälter sowie verfahren zur anbindung eines druckbehälters in eine karosseriestruktur - Google Patents

Druckbehälter sowie verfahren zur anbindung eines druckbehälters in eine karosseriestruktur Download PDF

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EP3557117A2
EP3557117A2 EP19161168.0A EP19161168A EP3557117A2 EP 3557117 A2 EP3557117 A2 EP 3557117A2 EP 19161168 A EP19161168 A EP 19161168A EP 3557117 A2 EP3557117 A2 EP 3557117A2
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EP
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pressure vessel
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hollow cylindrical
cylindrical extension
winding
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Sascha Machalett
Oliver Stoll
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    • F17C2270/0178—Cars

Definitions

  • the invention relates to a pressure vessel according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for connecting such a pressure vessel in a body structure and a tool and a method for winding a hollow cylindrical extension of an outer shell of such a pressure vessel.
  • Pressure vessels and corresponding methods for connecting such a pressure vessel in a body structure and tools and a method for winding a hollow cylindrical extension of an outer shell of such a pressure vessel are known in numerous variations.
  • such pressure vessels can be filled, for example, with gases or pressure-liquefied gases and therefore store a considerable amount of energy. Due to the expansion of pressure vessels with very high filling pressures and the resulting change in length in the axial and radial directions during filling or pressurization, these pressure vessels are usually attached to the vehicle structure by means of flexible tank straps. These tank straps allow for tolerance compensation when filling the container, but provide no structural influence of the container stiffness on the body of the vehicle. As a result, the change in length of the pressure tank is not affected by the body and the transmission of the crash energy is carried out solely by the components or load paths of the body.
  • connection concepts for pressure vessels in a body structure are already known, but these usually have a fixed and / or floating bearing for tolerance compensation and / or require due to the mounting accessibility a variety of additional holders for the realization of sufficient connection points to the vehicle structure.
  • a generic pressure vessel which may be installed in a rear-side cargo space and / or underfloor in the region of a center tunnel of the vehicle body of a vehicle, preferably has a cylindrical design, in which a cylindrical pressure vessel shell is closed on both sides by curved outwardly, frontal bottoms.
  • the pressure vessel wall may for example be constructed in three layers and comprise an inner layer, a middle layer of a fiber composite plastic and an outer layer of a further fiber composite plastic.
  • the inner layer is a plastic liner made by blow molding or rotary / sintering method or thermoforming method.
  • the plastic liner reinforcing middle layer is preferably wound in a wet winding process as a fiber winding on the plastic liner.
  • the fiber winding consists of, for example, carbon, aramid, glass and / or boron fibers which are embedded in a matrix of thermosets or of thermoplastics.
  • the fibers are applied to the plastic liner in different fiber orientations.
  • the preferred impact-absorbing outer layer may also be a fiber winding which is wound on the middle layer in a wet winding process.
  • the outer winding thus formed consists, for example, of carbon and / or glass fibers embedded in a matrix.
  • the finished high-pressure container has, for example, on a front-side container bottom on an outwardly projecting neck piece, in which a valve is integrated. Otherwise, the high-pressure vessel is usually completely smooth on the outside. In its installed position, the high-pressure container is secured in position by means of clamping bands in conventional practice, which surround the smooth-surface cylinder wall of the high-pressure container.
  • the fastening device is designed to connect the pressure vessel with a body of the motor vehicle.
  • the fastening device comprises at least two connecting pins and at least two bearings.
  • a connecting pin is connected to a bearing in a connection point.
  • the connecting pins and / or the bearings are respectively connected to the pressure vessel in a pressure vessel connection area and extend away from the outer surface of the pressure vessel.
  • the pressure tank connection areas each have an extension.
  • the connecting pin and the bearing are at least partially formed and arranged in the connection point such that the extension E is guided kinematically by a movement of the bearing and / or the connecting pin with only one translational degree of freedom.
  • a pressurizable container which comprises a cylindrical central part made of a fibrous plastic composite material at the ends of which a bottom part made of a fiber-plastic composite material is produced for closing the container.
  • the middle part of the container is arranged on a winding mandrel of a wound body as a prefabricated middle part or produced by winding a roving.
  • An inner surface of the bottom portion is defined by the winding mandrel of the bobbin and an end of the central portion adjacent to the bottom portion, and an outer surface of the bottom portion is defined by a plurality of shaping portions.
  • the bottom part of the container is produced by winding a preferably unidirectional roving into a winding space defined by the winding mandrel and the shaping parts up to the end of the middle part, wherein the shaping parts are arranged successively from a winding axis of the winding body outwards on the winding axis, if an intermediate the winding mandrel and the respective previously arranged forming part formed part winding space is filled.
  • Object of the present invention is to provide a pressure vessel and a method for connecting such a pressure vessel in a body structure and to provide a tool and a method for winding a hollow cylindrical extension of an outer shell of such a pressure vessel, which can be integrated in a simple manner as a stiffening element in the body structure and allows a level-independent tolerance compensation.
  • hollow cylindrical extensions are at their open ends in each case as tension and / or pressure elastic compensation areas formed, which merge into several tensile and / or pressure elastic, strap-like compensation elements, at the end of each a fastener is formed, which are adapted to enter into a torsionally rigid connection with corresponding fasteners of a body structure.
  • the pressure vessel comprises an outer shell which has a cylinder-like central region and two adjoining end regions. At both axial ends of the cylinder-like central region of the outer shell, in each case such a hollow cylindrical extension is formed, which projects beyond the respective end region.
  • the corresponding body structure, to which the pressure vessel is to be integrated, has adapted to the shape and arrangement of the tab-like compensating elements counter elements.
  • the fastening elements of the compensating elements and the counter-elements in an insertion position of the pressure vessel by a rotational movement of the pressure vessel about its longitudinal axis are slidable and thereby form a positive connection.
  • the method for connecting such a pressure vessel in a body structure comprises the steps of: aligning the pressure vessel such that the pressure vessel is insertable from an open side of the body structure perpendicular to its longitudinal axis in the body structure, wherein the pressure vessel is rotated about its longitudinal axis to align the fasteners and the counter elements do not interfere with each other during insertion. Inserting the pressure vessel in the body structure until the insertion position is reached, and rotating the pressure vessel about its longitudinal axis such that a positive connection with the body structure is made.
  • a tool for winding the hollow cylindrical extensions of the outer shell of the pressure vessel comprises a winding mandrel, through whose outer radius during winding an inner radius of the hollow cylindrical extension is predetermined.
  • the mandrel can be converted from a first state having a predetermined winding radius and a resulting cross section into a second state having a smaller cross section.
  • the mandrel can for example be made in several parts, wherein the transfer from the first to the second state then takes place by a decomposition.
  • the method for winding the hollow cylindrical extension of the outer shell of the pressure vessel by means of such a tool comprises the steps: transfer of the winding mandrel in its first state, winding the hollow cylindrical extension, transferring the winding mandrel in its second state, and removing the winding mandrel from the hollow cylindrical extension.
  • Embodiments of the pressure vessel according to the invention are characterized in that the structurally connected pressure vessel due to the interpretable in the fiber composite elastic compensation range allows tolerance compensation, but also forces from the vehicle structure, such as bending and torsional forces from the body stiffness and additional forces from Crashlast ton transferred, and thus can significantly contribute to increasing the lightweight construction and crash safety of the body.
  • the compensation elements can be introduced by a machining post-processing, in particular by milling or cutting, in the hollow cylindrical extension.
  • the compensation area and / or the lashing-like compensation elements can have regions of different stiffnesses.
  • different fiber materials, fiber composites and / or laminate structures depending on the desired requirements, such as stiffness, strength, flexibility, elasticity, etc. can be used.
  • the outer shell and the hollow cylindrical extensions for example, from a fiber-reinforced, preferably a continuous fiber reinforced plastic (CFRP, GRP) are made, for example, a carbon fiber reinforced, preferably a continuous carbon fiber reinforced plastic (CFRP), or a glass fiber reinforced, preferably an endless glass fiber reinforced plastic (GRP) ,
  • the outer shell can surround a fluid-tight inner container made of metal or fiber-reinforced plastic or unreinforced plastic surface or form the fluid-tight inner container itself.
  • a plurality of tab-like compensating elements with the fastening elements on the Circumference of the hollow cylindrical extension to be arranged equidistantly distributed.
  • a further advantageous embodiment of the method for connecting such a pressure vessel in a body structure can be made between the fastening elements of the pressure vessel and the counter-elements of the body structure in addition a non-positive and / or material connection.
  • the fastening elements and the counter-elements can for example be screwed together and / or glued and / or clipped.
  • a pressure vessel 10 comprises an outer shell 12, which has a cylinder-like central region 14 and two adjoining end portions 16, 18. At both axial ends of the cylinder-like central region 14 of the outer shell 12, a hollow cylindrical extension 20 is formed, which projects beyond the respective end region 16, 18.
  • the respective hollow cylindrical extension 20 is formed at its open end as tensile and / or compressive elastic compensation area 22, which merges into a plurality of tensile and / or pressure elastic, flap-like compensation elements 24, at the end of each a fastener 26 is formed, which is suitable are to enter into a torsionally rigid connection with corresponding fasteners 32 of a body structure 30.
  • the fluid-tight inner container 11 can be made for example of metal or fiber-reinforced plastic (CFRP, GFRP) or unreinforced plastic.
  • CFRP fiber-reinforced plastic
  • the outer shell 12 itself may form the fluid-tight inner container 11.
  • the outer shell 12 and the hollow cylindrical extension 20 are made of a fiber-reinforced, preferably a continuous fiber reinforced plastic (CFK, GRP), which, for example, a carbon fiber reinforced, preferably a continuous carbon fiber reinforced plastic (CFRP), and / or a glass fiber reinforced, preferably an endless glass fiber reinforced plastic (GRP) is.
  • CFK continuous fiber reinforced plastic
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • the compensating elements 24 are introduced into the hollow cylindrical extension 20 by means of a machining operation.
  • the compensation area 22 and / or the tab-like compensation elements 24 have regions of different stiffness in order to achieve the desired tensile and / or compressive elastic properties. How out 4 and 5 It can also be seen that the compensation area 22 and / or the tab-like compensating elements 24 allow expansion of the inner container 11 along its longitudinal axis LA and a cross-sectional enlargement perpendicular to the longitudinal axis.
  • Fig. 1 to 8 How out Fig. 1 to 8 is further apparent, in the illustrated embodiment, four tab-like compensating elements 24 with the Fixing elements 26 arranged distributed over the circumference of the hollow cylindrical extension 20 equidistant.
  • Fig. 6 to 8 The inventive method for connecting such a pressure vessel 10 in a body structure 30 is described below with reference to Fig. 6 to 8 described. How out Fig. 6 to 8 is further apparent, the body structure 30 on the shape and arrangement of the tab-like compensating elements 24 adapted counter elements 32. In this case, the fastening elements 26 of the compensating elements 24 and the counter-elements 32 are in an insertion position of the pressure vessel 10 by a rotational movement of the pressure vessel 10 about its longitudinal axis LA into one another and thereby form a positive connection. How out Fig. 6 and 7 it can be seen, the pressure vessel 10 is aligned such that the pressure vessel 10 is insertable from an open side of the body structure 30 perpendicular to its longitudinal axis LA in the body structure 30.
  • Fig. 7 To align the pressure vessel 10 is rotated about its longitudinal axis LA so that the fasteners 26 and the counter-elements 32 do not interfere with each other during insertion, as from Fig. 7 is apparent. How out Fig. 7 Further, the pressure vessel 10 is inserted into the body structure 30 until the insertion position is reached. Then, the pressure vessel 10 is rotated about its longitudinal axis LA such that a positive connection with the body structure 30 is made, as shown Fig. 8 is apparent.
  • fastening elements 26 of the pressure vessel 10 and the counter-elements 32 of the body structure 30, a non-positive and / or integral connection is produced.
  • the fastening elements 26 and the counter-elements 32 for example, screwed together and / or glued and / or clipped.
  • the tool for winding the hollow cylindrical extension 20 of the outer shell 12 of the pressure vessel 10 with the cylinder-like central region 14 and two adjoining end regions 16, 18 comprises a mandrel 40, by the outer radius of which during winding an inner radius of the hollow cylindrical extension 20 is predetermined.
  • the winding mandrel 40 can be converted from a first state shown with a predetermined winding radius and a resulting cross section into a second state with a smaller cross section.
  • the winding mandrel 40 is made of several parts and the transfer from the first to the second state is carried out by a disassembly of the winding mandrel 40 by first a first mandrel part 42 and then a second mandrel part 44 is removed from the wound extension 20.
  • the method for winding the hollow cylindrical extension 20 of the outer shell 12 of the pressure vessel 10 by means of such a tool comprises the steps: transfer of the winding mandrel 40 in its first state, winding the hollow cylindrical extension 20, transferring the winding mandrel 40 in its second state, and removing the winding mandrel 40 from the hollow cylindrical extension 20th

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter (10) sowie ein Verfahren zur Anbindung eines solchen Druckbehälters in eine Karosseriestruktur und ein Werkzeug und ein Verfahren zum Wickeln eines hohlzylindrischen Fortsatzes einer Außenhülle (12) eines solchen Druckbehälters (10). Der Druckbehälter (10) umfasst eine Außenhülle (12), welche einen zylinderähnlichen Mittelbereich (14) und zwei sich daran anschließende Endbereiche (16, 18) aufweist, wobei an beiden axialen Enden des zylinderähnlichen Mittelbereichs (14) der Außenhülle (12) jeweils ein hohlzylindrischer Fortsatz (20) ausgebildet ist, welcher über den jeweiligen Endbereich (16, 18) übersteht. Erfindungsgemäß ist der jeweilige hohlzylindrische Fortsatz (20) an seinem offenen Ende als zug- und/oder druckelastischer Ausgleichsbereich (22) ausgebildet, welcher in mehrere zug- und/oder druckelastische, laschenähnliche Ausgleichselemente (24) übergeht, an deren Ende jeweils ein Befestigungselement (26) ausgebildet ist, welche dafür geeignet sind, mit entsprechenden Befestigungselementen (32) einer Karosseriestruktur (30) eine torsionssteife Verbindung einzugehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anbindung eines solchen Druckbehälters in eine Karosseriestruktur sowie ein Werkzeug und ein Verfahren zum Wickeln eines hohlzylindrischen Fortsatzes einer Außenhülle eines solchen Druckbehälters.
  • Druckbehälter und korrespondierende Verfahren zur Anbindung eines solchen Druckbehälters in eine Karosseriestruktur und Werkzeuge und ein Verfahren zum Wickeln eines hohlzylindrischen Fortsatzes einer Außenhülle eines solchen Druckbehälters sind in zahlreichen Variationen bekannt. Allgemein können solche Druckbehälter beispielsweise mit Gasen oder druckverflüssigten Gasen befüllt werden und daher eine erhebliche Energiemenge speichern. Aufgrund der Ausdehnung von Druckbehältern mit sehr hohen Fülldrücken und der daraus resultierenden Längenänderung in axialer sowie radialer Richtung während des Befüllens bzw. eine Druckbeaufschlagung werden diese Druckbehälter üblicherweise mittels flexibler Tankspannbänder an der Fahrzeugstruktur befestigt. Diese Tankspannbänder ermöglichen einen Toleranzausgleich beim Befüllen des Behälters, bieten jedoch keinen strukturellen Einfluss der Behältersteifigkeit auf die Karosserie des Fahrzeugs. Dadurch wird die Längenänderung des Drucktanks nicht durch die Karosserie beeinträchtigt und die Übertragung der Crashenergie erfolgt einzig durch die Bauteile bzw. Lastpfade der Karosserie.
  • Zwar sind bereits mehrere Anbindungskonzepte für Druckbehälter in eine Karosseriestruktur bekannt, diese weisen jedoch in der Regel eine Fest- und/oder Loslageraufnahme zum Toleranzausgleich auf und/oder benötigen aufgrund der Montagezugänglichkeit eine Vielzahl von Zusatzhaltern zur Realisierung ausreichender Anbindungspunkte zur Fahrzeugstruktur.
  • Ein gattungsgemäßer Druckbehälter, welcher in einem heckseitigen Laderaum und/oder unterflurig im Bereich eines Mitteltunnels der Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs verbaut sein kann, weist bevorzugt eine zylindrische Bauform auf, bei der ein zylindrischer Druckbehältermantel durch nach außen gewölbte, stirnseitigen Böden beidseitig verschlossen ist. Die Druckbehälterwand kann beispielsweise dreilagig aufgebaut sein und eine Innenlage, eine Mittellage aus einem Faserverbundkunststoff sowie eine Außenlage aus einem weiteren Faserverbundkunststoff umfassen. In einem sogenannten Typ-4-Hochdruckbehälter für Erdgas ist die Innenlage ein Kunststoff-Liner, der über Blasformen oder Rotations-/Sinter-Verfahren oder Thermoformverfahren hergestellt ist. Die den Kunststoff-Liner verstärkende Mittellage ist bevorzugt in einem Nasswickelverfahren als eine Faserwicklung auf den Kunststoff-Liner aufgewickelt. Exemplarisch besteht die Faserwicklung aus zum Beispiel Kohlenstoff-, Aramid-, Glas- und/oder Borfasern, die in einer Matrix aus Duromeren oder aus Thermoplasten eingebettet sind. Die Fasern sind in unterschiedlichen Faserorientierungen auf den Kunststoff-Liner aufgebracht. Die bevorzugt schlagabsorbierende Außenlage kann ebenfalls eine Faserwicklung sein, die in einem Nasswickelverfahren auf die Mittellage aufgewickelt wird. Die so gebildete Außenwicklung besteht beispielhaft aus Kohlenstoff- und/oder Glasfasern, die in einer Matrix eingebettet sind.
  • Der fertiggestellte Hochdruckbehälter weist beispielsweise an einem stirnseitigen Behälterboden ein nach außen abragendes Halsstück auf, in das ein Ventil integriert ist. Ansonsten ist Hochdruckbehälter außenseitig meist komplett glattflächig ausgeführt. In seiner Einbaulage ist der Hochdruckbehälter in gängiger Praxis mittels Spannbänder lagegesichert, die die glattflächige Zylinderwand des Hochdruckbehälters umgreifen.
  • Aus der DE 10 2015 206 826 A1 ist ein Druckbehälter für ein Kraftfahrzeug, mit einer Befestigungsvorrichtung bekannt. Die Befestigungsvorrichtung ist ausgebildet, den Druckbehälter mit einer Karosserie des Kraftfahrzeuges zu verbinden. Die Befestigungsvorrichtung umfasst mindestens zwei Verbindungstifte und mindestens zwei Lager. Jeweils ein Verbindungsstift ist mit einem Lager in einem Verbindungspunkt verbunden. Die Verbindungsstifte und/oder die Lager sind jeweils mit dem Druckbehälter in einem Druckbehälteranschlussbereich verbunden und erstrecken sich von der Außenoberfläche des Druckbehälters weg. Die Druckbehälteranschlussbereiche weisen jeweils eine Ausdehnung auf. Der Verbindungsstift und das Lager sind im Verbindungspunkt zumindest bereichsweise derart geformt und angeordnet, dass die Ausdehnung E durch eine Bewegung des Lagers und/oder des Verbindungsstiftes mit nur einem translatorischen Freiheitsgrad kinematisch geführt wird.
  • Aus der DE 10 2015 007 047 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines mit Druck beaufschlagbaren Behälters bekannt, welcher ein aus einem Faserkunststoffverbundmaterial hergestelltes, zylindrisches Mittelteil aufweist, an dessen Enden zur Schließung des Behälters jeweils ein Bodenteil aus einem Faserkunststoffverbundmaterial hergestellt wird. Hierbei wird das Mittelteil des Behälters auf einem Wickeldorn eines Wickelkörpers als vorgefertigtes Mittelteil angeordnet oder durch Aufwickeln eines Rovings hergestellt. Eine Innenfläche des Bodenteils wird durch den Wickeldorn des Wickelkörpers sowie ein an das Bodenteil angrenzendes Ende des Mittelteils definiert, und eine Außenfläche des Bodenteils wird durch mehrere Formgebungsteile definiert. Das Bodenteil des Behälters wird durch Aufwickeln eines vorzugsweise unidirektionalen Rovings in einen durch den Wickeldorn und die Formgebungsteile definierten Wickelraum bis zu dem Ende des Mittelteils hergestellt, wobei die Formgebungsteile nacheinander von einer Wickelachse des Wickelkörpers beginnend nach außen auf der Wickelachse angeordnet werden, wenn ein zwischen dem Wickeldorn und dem jeweils vorher angeordneten Formgebungsteil gebildeter Teilwickelraum ausgefüllt ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckbehälter und ein Verfahren zur Anbindung eines solchen Druckbehälters in eine Karosseriestruktur sowie ein Werkzeug und ein Verfahren zum Wickeln eines hohlzylindrischen Fortsatzes einer Außenhülle eines solchen Druckbehälters bereitzustellen, welcher in einfacher Weise als Versteifungselement in die Karosseriestruktur eingebunden werden kann und einen füllstandsunabhängige Toleranzausgleich ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Druckbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren zur Anbindung eines solchen Druckbehälters in eine Karosseriestruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und durch ein Werkzeug zum Wickeln eines hohlzylindrischen Fortsatzes einer Außenhülle eines solchen Druckbehälters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch ein Verfahren zum Wickeln eines hohlzylindrischen Fortsatzes einer Außenhülle eines solchen Druckbehälters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Um einen Druckbehälter sowie ein Verfahren zur Anbindung eines solchen Druckbehälters in eine Karosseriestruktur bereitzustellen, welcher in einfacher Weise als Versteifungselement in die Karosseriestruktur eingebunden werden kann und einen füllstandsunabhängigen Toleranzausgleich ermöglicht, sind hohlzylindrische Fortsätze an ihren offenen Enden jeweils als zug- und/oder druckelastische Ausgleichsbereiche ausgebildet, welcher in mehrere zug- und/oder druckelastische, laschenähnliche Ausgleichselemente übergehen, an deren Ende jeweils ein Befestigungselement ausgebildet ist, welche dafür geeignet sind, mit entsprechenden Befestigungselementen einer Karosseriestruktur eine torsionssteife Verbindung einzugehen. Der Druckbehälter umfasst eine Außenhülle, welche einen zylinderähnlichen Mittelbereich und zwei sich daran anschließenden Endbereiche aufweist. An beiden axialen Enden des zylinderähnlichen Mittelbereichs der Außenhülle ist jeweils ein solcher hohlzylindrischer Fortsatz ausgebildet, welcher über den jeweiligen Endbereich übersteht.
  • Die korrespondierende Karosseriestruktur, an welche der Druckbehälter eingebunden werden soll, weist an Form und Anordnung der laschenähnlichen Ausgleichselemente angepasste Gegenelemente auf. Hierbei sind die Befestigungselemente der Ausgleichselemente und die Gegenelemente in einer Einsatzposition des Druckbehälters durch eine Drehbewegung des Druckbehälters um seine Längsachse ineinander verschiebbar und bilden dadurch eine formschlüssige Verbindung aus. Das Verfahren zur Anbindung eines solchen Druckbehälters in eine Karosseriestruktur umfasst die Schritte: Ausrichten des Druckbehälters derart, dass der Druckbehälter von einer offenen Seite der Karosseriestruktur senkrecht zu seiner Längsachse in die Karosseriestruktur einführbar ist, wobei der Druckbehälter zum Ausrichten um seine Längsachse gedreht wird, dass sich die Befestigungselemente und die Gegenelemente beim Einführen nicht gegenseitig behindern. Einführen des Druckbehälters in die Karosseriestruktur bis die Einsatzposition erreicht ist, und Drehen des Druckbehälters um seine Längsachse derart, dass eine formschlüssige Verbindung mit der Karosseriestruktur hergestellt ist.
  • Ein Werkzeug zum Wickeln der hohlzylindrischen Fortsätze der Außenhülle des Druckbehälters umfasst einen Wickeldorn, durch dessen Außenradius beim Wickeln ein Innenradius des hohlzylindrischen Fortsatzes vorgegeben ist. Erfindungsgemäß ist der Wickeldorn von einem ersten Zustand mit einem vorgegebenen Wickelradius und einem sich daraus ergebenden Querschnitt in einen zweiten Zustand mit einem geringeren Querschnitt überführbar. Hierzu kann der Wickeldorn beispielsweise mehrteilig ausgeführt werden, wobei die Überführung vom ersten in den zweiten Zustand dann durch eine Zerlegung erfolgt.
  • Das Verfahren zum Wickeln des hohlzylindrischen Fortsatzes der Außenhülle des Druckbehälters mittels eines solchen Werkzeugs umfasst die Schritte: Überführung des Wickeldorns in seinen ersten Zustand, Wickeln des hohlzylindrischen Fortsatzes, Überführen des Wickeldorns in seinen zweiten Zustand, und Herausnehmen des Wickeldorns aus dem hohlzylindrischen Fortsatz.
  • Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druckbehälters zeichnen sich dadurch aus, dass der strukturell angebundene Druckbehälter aufgrund des im Faserverbund auslegbaren elastischen Ausgleichbereichs einen Toleranzausgleich ermöglicht, jedoch auch Kräfte aus der Fahrzeugstruktur, wie beispielsweise Biege- und Torsionskräfte aus der Karosseriesteifigkeit sowie zusätzliche Kräfte aus Crashlastfällen, übertragen und somit erheblich zur Erhöhung der Leichtbaugüte und Crashsicherheit der Karosserie beitragen kann.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters können die Ausgleichselemente durch eine spanabhebende Nachbearbeitung, insbesondere durch Fräsen oder Schneiden, in den hohlzylindrischer Fortsatz eingebracht werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters kann der Ausgleichsbereich und/oder die laschenähnlichen Ausgleichselemente bereichsweise unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen. Bei der Herstellung des Ausgleichsbereichs und/oder der laschenähnlichen Ausgleichselemente und/oder der Befestigungselemente können verschiedene Faserwerkstoffe, Faserverbunde und/oder Laminatstrukturen in Abhängigkeit der gewünschten Anforderungen, wie beispielsweise Steifigkeit, Festigkeit, Flexibilität, Elastizität usw., verwendet werden. So können die Außenhülle und die hohlzylindrischen Fortsätze beispielsweise aus einem faserverstärkten, vorzugsweise einem endlosfaserverstärkten Kunststoff (CFK, GFK) gefertigt werden, der beispielsweise ein kohlefaserverstärkter, vorzugsweise ein endloskohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK), oder ein glasfaserverstärkter, vorzugsweise ein endlosglasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ist.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters kann die Außenhülle einen fluiddichten Innenbehälter aus Metall oder aus faserverstärktem Kunststoff oder aus unverstärktem Kunststoff flächig umschließen oder den fluiddichten Innenbehälter selbst ausbilden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters können mehrere laschenähnliche Ausgleichselemente mit den Befestigungselementen über den Umfang des hohlzylindrischen Fortsatzes äquidistant verteilt angeordnet werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens zur Anbindung eines solchen Druckbehälters in eine Karosseriestruktur kann zwischen den Befestigungselementen des Druckbehälters und den Gegenelementen der Karosseriestruktur zusätzlich eine kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden. Die die Befestigungselemente und die Gegenelemente können beispielsweise miteinander verschraubt und/oder verklebt und/oder verclipst werden.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen. Hierbei zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckbehälters in einem ersten Zustand;
    Fig. 2
    eine schematische perspektivische Darstellung des Druckbehälters aus Fig. 1 aus einem anderen Blickwinkel;
    Fig. 3
    eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckbehälters aus Fig. 1 und 2 in einem ausgedehnten zweiten Zustand;
    Fig. 4
    eine Darstellung eines Details IV aus Fig. 1,
    Fig. 5
    eine Darstellung eines Details V aus Fig. 3,
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckbehälters und einer korrespondierenden Karosseriestruktur vor dem Einführen des Druckbehälters;
    Fig. 7
    eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckbehälters und der korrespondierenden Karosseriestruktur aus Fig. 6 während des Einführens des Druckbehälters;
    Fig. 8
    eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckbehälters und der korrespondierenden Karosseriestruktur aus Fig. 6 und 7 nach dem Herstellen der formschlüssigen Verbindung;
    Fig. 9
    eine schematische Darstellung eines Abschnitts des Druckbehälters aus Fig. 1 bis 8 mit einem Wickelwerkzeug während eines Wickelvorgangs eines hohlzylindrischen Fortsatzes des Druckbehälters; und
    Fig. 10
    eine Darstellung eines Details X aus Fig. 9.
  • Wie aus Fig. 1 bis 10 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines Druckbehälters 10 eine Außenhülle 12, welche einen zylinderähnlichen Mittelbereich 14 und zwei sich daran anschließende Endbereiche 16, 18 aufweist. An beiden axialen Enden des zylinderähnlichen Mittelbereichs 14 der Außenhülle 12 ist jeweils ein hohlzylindrischer Fortsatz 20 ausgebildet, welcher über den jeweiligen Endbereich 16, 18 übersteht.
  • Erfindungsgemäß ist der jeweilige hohlzylindrische Fortsatz 20 an seinem offenen Ende als zug- und/oder druckelastischer Ausgleichsbereich 22 ausgebildet, welcher in mehrere zug- und/oder druckelastische, laschenähnliche Ausgleichselemente 24 übergeht, an deren Ende jeweils ein Befestigungselement 26 ausgebildet ist, welche dafür geeignet sind, mit entsprechenden Befestigungselementen 32 einer Karosseriestruktur 30 eine torsionssteife Verbindung einzugehen.
  • Wie aus Fig. 1 bis 5 weiter ersichtlich ist, umschließt die Außenhülle 12 im dargestellten Ausführungsbeispiel den fluiddichten Innenbehälter 11 flächig. Der fluiddichte Innenbehälter 11 kann beispielsweise aus Metall oder aus faserverstärktem Kunststoff (CFK, GFK) oder aus unverstärktem Kunststoff hergestellt werden. Alternativ kann die Außenhülle 12 selbst den fluiddichten Innenbehälter 11 ausbilden. Die Außenhülle 12 und der hohlzylindrische Fortsatz 20 sind aus einem faserverstärkten, vorzugsweise einem endlosfaserverstärkten Kunststoff (CFK, GFK) gefertigt, welcher beispielweise ein kohlefaserverstärkter, vorzugsweise ein endloskohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK), und/oder ein glasfaserverstärkter, vorzugsweise ein endlosglasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ist.
  • Die Ausgleichselemente 24 werden durch eine spanabhebende Nachbearbeitung in den hohlzylindrischer Fortsatz 20 eingebracht. Hierbei weisen der Ausgleichsbereich 22 und/oder die laschenähnlichen Ausgleichselemente 24 bereichsweise unterschiedliche Steifigkeiten auf, um die gewünschten zug- und/oder druckelastischen Eigenschaften zu erzielen. Wie aus Fig. 4 und 5 weiter ersichtlich ist, ermöglichen der Ausgleichsbereich 22 und/oder die laschenähnlichen Ausgleichselemente 24 eine Ausdehnung des Innenbehälter 11 entlang seiner Längsachse LA und eine Querschnittsvergrößerung senkrecht zur Längsachse.
  • Wie aus Fig. 1 bis 8 weiter ersichtlich ist, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel vier laschenähnliche Ausgleichselemente 24 mit den Befestigungselementen 26 über den Umfang des hohlzylindrischen Fortsatzes 20 äquidistant verteilt angeordnet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Anbindung eines solchen Druckbehälters 10 in eine Karosseriestruktur 30 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 6 bis 8 beschrieben. Wie aus Fig 6 bis 8 weiter ersichtlich ist, weist die Karosseriestruktur 30 an Form und Anordnung der laschenähnlichen Ausgleichselemente 24 angepasste Gegenelemente 32 auf. Hierbei sind die Befestigungselemente 26 der Ausgleichselemente 24 und die Gegenelemente 32 in einer Einsatzposition des Druckbehälters 10 durch eine Drehbewegung des Druckbehälters 10 um seine Längsachse LA ineinander verschiebbar und bilden dadurch eine formschlüssige Verbindung aus. Wie aus Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, wird der Druckbehälter 10 derart ausgerichtet, dass der Druckbehälter 10 von einer offenen Seite der Karosseriestruktur 30 senkrecht zu seiner Längsachse LA in die Karosseriestruktur 30 einführbar ist. Zum Ausrichten wird der Druckbehälter 10 um seine Längsachse LA so gedreht, dass sich die Befestigungselemente 26 und die Gegenelemente 32 beim Einführen nicht gegenseitig behindern, wie aus Fig. 7 ersichtlich ist. Wie aus Fig. 7 weiter ersichtlich ist, wird der Druckbehälter 10 in die Karosseriestruktur 30 eingeführt, bis die Einsatzposition erreicht ist. Dann wird der Druckbehälter 10 um seine Längsachse LA derart gedreht, dass eine formschlüssige Verbindung mit der Karosseriestruktur 30 hergestellt ist, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist.
  • Zusätzlich wird zwischen den Befestigungselementen 26 des Druckbehälters 10 und den Gegenelementen 32 der Karosseriestruktur 30 eine kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Hierzu können die Befestigungselemente 26 und die Gegenelemente 32 beispielsweise miteinander verschraubt und/oder verklebt und/oder verclipst werden.
  • Wie aus Fig. 9 und 10 weiter ersichtlich ist, umfasst das Werkzeug zum Wickeln des hohlzylindrischen Fortsatzes 20 der Außenhülle 12 des Druckbehälters 10 mit dem zylinderähnlichen Mittelbereich 14 und zwei sich daran anschließenden Endbereichen 16, 18 einen Wickeldorn 40, durch dessen Außenradius beim Wickeln ein Innenradius des hohlzylindrischen Fortsatzes 20 vorgegeben ist. Hierbei ist der Wickeldorn 40 von einem dargestellten ersten Zustand mit einem vorgegebenen Wickelradius und einem sich daraus ergebenden Querschnitt in einen zweiten Zustand mit einem geringeren Querschnitt überführbar.
  • Wie aus Fig. 9 weiter ersichtlich ist, ist der Wickeldorn 40 mehrteilig ausgeführt und die Überführung vom ersten in den zweiten Zustand erfolgt durch eine Zerlegung des Wickeldorns 40, indem zuerst ein erster Dornteil 42 und dann ein zweiter Dornteil 44 aus dem gewickelten Fortsatz 20 entfernt wird.
  • Das Verfahren zum Wickeln des hohlzylindrischen Fortsatzes 20 der Außenhülle 12 des Druckbehälters 10 mittels eines solchen Werkzeugs umfasst die Schritte: Überführung des Wickeldorns 40 in seinen ersten Zustand, Wickeln des hohlzylindrischen Fortsatzes 20, Überführen des Wickeldorns 40 in seinen zweiten Zustand, und Herausnehmen des Wickeldorns 40 aus dem hohlzylindrischen Fortsatz 20.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Druckbehälter
    11
    Innenbehälter
    12
    Außenhülle
    14
    Mittelbereich
    16, 18
    Endbereich
    20
    Fortsatz
    22
    zug- und/oder druckelastischer Ausgleichsbereich
    24
    zug- und/oder druckelastisches Ausgleichselement
    26
    torsionssteifes Befestigungselement
    30
    Karosseriestruktur
    32
    karosserieseitige Gegenelemente
    40
    Wickeldorn
    42
    erster Teildorn
    44
    zweiter Teildorn
    LA
    Längsachse

Claims (13)

  1. Druckbehälter (10) mit einer Außenhülle (12), welche einen zylinderähnlichen Mittelbereich (14) und zwei sich daran anschließende Endbereiche (16, 18) aufweist, wobei an beiden axialen Enden des zylinderähnlichen Mittelbereichs (14) der Außenhülle (12) jeweils ein hohlzylindrischer Fortsatz (20) ausgebildet ist, welcher über den jeweiligen Endbereich (16, 18) übersteht,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der jeweilige hohlzylindrische Fortsatz (20) an seinem offenen Ende als zug- und/oder druckelastischer Ausgleichsbereich (22) ausgebildet ist, welcher in mehrere zug- und/oder druckelastische, laschenähnliche Ausgleichselemente (24) übergeht, an deren Ende jeweils ein Befestigungselement (26) ausgebildet ist, welche dafür geeignet sind, mit entsprechenden Befestigungselementen (32) einer Karosseriestruktur (30) eine torsionssteife Verbindung einzugehen.
  2. Druckbehälter (10) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ausgleichselemente (24) durch eine spanabhebende Nachbearbeitung in den hohlzylindrischen Fortsatz (20) eingebracht sind.
  3. Druckbehälter (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Ausgleichsbereich (22) und/oder die laschenähnlichen Ausgleichselemente (24) bereichsweise unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen.
  4. Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Außenhülle (12) und der hohlzylindrische Fortsatz (20) aus einem faserverstärkten, vorzugsweise einem endlosfaserverstärkten Kunststoff (CFK, GFK) gefertigt sind.
  5. Druckbehälter (10) nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Faserverbundkunststoff ein kohlefaserverstärkter, vorzugsweise ein endloskohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder ein glasfaserverstärkter, vorzugsweise ein endlosglasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ist.
  6. Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Außenhülle (12) einen fluiddichten Innenbehälter (11) aus Metall oder aus faserverstärktem Kunststoff (CFK, GFK) oder aus unverstärktem Kunststoff flächig umschließt oder den fluiddichten Innenbehälter (11) selbst ausbildet.
  7. Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere laschenähnliche Ausgleichselemente (24) mit den Befestigungselementen (26) über den Umfang des hohlzylindrischen Fortsatzes (20) äquidistant verteilt angeordnet sind.
  8. Verfahren zur Anbindung eines Druckbehälter (10), welcher nach Anspruch 7 ausgebildet ist, in eine Karosseriestruktur (30), welche an Form und Anordnung der laschenähnlichen Ausgleichselemente (24) angepasste Gegenelemente (32) aufweist, wobei die Befestigungselemente (26) der Ausgleichselemente (24) und die Gegenelemente (32) in einer Einsatzposition des Druckbehälters (10) durch eine Drehbewegung des Druckbehälters (10) um seine Längsachse (LA) ineinander verschiebbar sind und dadurch eine formschlüssige Verbindung ausbilden, mit den Schritten:
    Ausrichten des Druckbehälters (10) derart, dass der Druckbehälter von einer offenen Seite der Karosseriestruktur (30) senkrecht zu seiner Längsachse (LA) in die Karosseriestruktur (30) einführbar ist, wobei der Druckbehälter (10) zum Ausrichten um seine Längsachse (LA) gedreht wird, dass sich die Befestigungselemente (26) und die Gegenelemente (32) beim Einführen nicht gegenseitig behindern,
    Einführen des Druckbehälters (10) in die Karosseriestruktur (30) bis die Einsatzposition erreicht ist, und
    Drehen des Druckbehälters (10) um seine Längsachse (LA) derart, dass eine formschlüssige Verbindung mit der Karosseriestruktur (30) hergestellt ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen den Befestigungselementen (26) des Druckbehälters (10) und den Gegenelementen (32) der Karosseriestruktur (30) zusätzlich eine kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Befestigungselemente (26) und die Gegenelemente (32) miteinander verschraubt und/oder verklebt und/oder verclipst werden.
  11. Werkzeug zum Wickeln eines hohlzylindrischen Fortsatzes (20) einer Außenhülle (12) eines Druckbehälters (10) mit einem zylinderähnlichen Mittelbereich (14) und zwei sich daran anschließenden Endbereichen (16, 18), mit einem Wickeldorn (40), durch dessen Außenradius beim Wickeln ein Innenradius des hohlzylindrischen Fortsatzes (20) vorgegeben ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wickeldorn (40) von einem ersten Zustand mit einem vorgegebenen Wickelradius und einem sich daraus ergebenden Querschnitt in einen zweiten Zustand mit einem geringeren Querschnitt überführbar ist.
  12. Werkzeug nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wickeldorn (40) mehrteilig ausgeführt ist und die Überführung vom ersten in den zweiten Zustand durch eine Zerlegung erfolgt.
  13. Verfahren zum Wickeln eines hohlzylindrischen Fortsatzes (20) einer Außenhülle (12) eines Druckbehälters (10) mittels eines Werkzeugs nach einem der Ansprüche 9 oder 10, mit den Schritten:
    Überführung des Wickeldorns (40) in seinen ersten Zustand, Wickeln des hohlzylindrischen Fortsatzes (20),
    Überführen des Wickeldorns (40) in seinen zweiten Zustand, und Herausnehmen des Wickeldorns (40) aus dem hohlzylindrischen Fortsatz (20).
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