EP3557117B1 - 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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EP3557117B1
EP3557117B1 EP19161168.0A EP19161168A EP3557117B1 EP 3557117 B1 EP3557117 B1 EP 3557117B1 EP 19161168 A EP19161168 A EP 19161168A EP 3557117 B1 EP3557117 B1 EP 3557117B1
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EP
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pressure vessel
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body structure
reinforced
compensating
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Florian Eidmann
Sascha Machalett
Oliver Stoll
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Audi AG
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    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles
    • F17C2270/0178—Cars

Definitions

  • the invention relates to a pressure vessel according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention also relates to a method for connecting such a pressure vessel to a body structure.
  • Pressure vessels and corresponding methods for connecting such a pressure vessel to 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 with gases or pressure-liquefied gases, for example, and can therefore store a significant amount of energy.
  • connection concepts for pressure vessels in a body structure are already known, these usually have a fixed and/or Floating bearing mount for tolerance compensation and/or require a large number of additional brackets to implement sufficient connection points to the vehicle structure due to the assembly accessibility.
  • a pressure vessel which can be installed in a rear cargo space and/or under the floor in the area of a central tunnel of the vehicle body, preferably has a cylindrical design in which a cylindrical pressure vessel jacket is closed on both sides by outwardly curved end faces.
  • the pressure vessel wall can be constructed in three layers, for example, and can comprise an inner layer, a middle layer made of a fiber-reinforced plastic and an outer layer made of a further fiber-reinforced plastic.
  • the inner layer is a plastic liner that is manufactured using blow molding or rotation/sintering processes or thermoforming processes.
  • the middle layer reinforcing the plastic liner is preferably wound onto the plastic liner as a fiber winding in a wet winding process.
  • the fiber winding consists of carbon, aramid, glass and/or boron fibers, for example, which are embedded in a matrix made of duromers or thermoplastics.
  • the fibers are applied to the plastic liner in different fiber orientations.
  • the preferably impact-absorbing outer layer can also be a filament winding that is wound onto the middle layer in a wet winding process.
  • the outer winding formed in this way consists, for example, of carbon and/or glass fibers that are embedded in a matrix.
  • the finished high-pressure container has, for example, on a front container bottom, a neck piece protruding outwards, in which a valve is integrated. Otherwise, the high-pressure tank is usually completely smooth on the outside. In its installation position, the high-pressure tank is, as is customary practice, secured in position by means of tensioning straps which enclose the smooth-surfaced cylinder wall of the high-pressure tank.
  • the fastening device is designed to connect the pressure vessel to a body of the motor vehicle.
  • the attachment device includes at least two connecting pins and at least two bearings. Each connection pin is connected to a bearing in a connection point.
  • the connecting pins and/or the bearings are each connected to the pressure vessel in a pressure vessel connection area and extend from the outer surface of the pressure vessel.
  • the pressure vessel connection areas each have an extension.
  • the connecting pin and the bearing are at least partially shaped and arranged at the connection point in such a way that the expansion E is guided kinematically by a movement of the bearing and/or the connecting pin with only one translatory degree of freedom.
  • a method for producing a pressurizable container which has a cylindrical middle part made of a fiber-reinforced plastic material, at the ends of which a base part is made of a fiber-reinforced plastic material to close the container.
  • the center part of the container is arranged on a mandrel of a winding body as a prefabricated center part or is produced by winding a roving.
  • An inner surface of the base is defined by the mandrel of the bobbin and an end of the center portion adjacent the base, and an outer surface of the base is defined by a plurality of shaping portions.
  • the bottom part of the container is produced by winding a preferably unidirectional roving in a winding space defined by the winding mandrel and the shaping parts up to the end of the middle part, with the shaping parts being arranged one after the other starting from a winding axis of the winding body outwards on the winding axis if an between the partial winding space formed by the winding mandrel and the previously arranged shaping part is filled.
  • a generic pressure vessel with an outer shell which has a cylinder-like central area and two adjoining end areas. At both axial ends of the cylinder-like central area of the outer shell is a hollow-cylindrical extension with a clamping ring protruding beyond the respective end area.
  • the object of the present invention is to provide a pressure vessel and a method for connecting such a pressure vessel to a body structure, which can be easily integrated into the body structure as a stiffening element and enables tolerance compensation that is independent of the filling level.
  • hollow-cylindrical extensions at their open ends are designed as compensation areas that are elastic in tension and/or compression formed, which merge into several tension and / or pressure-elastic, strap-like compensating elements, at the end of which a fastening element is formed, which are suitable for entering into a torsionally rigid connection with corresponding fastening elements of a body structure.
  • the pressure vessel comprises an outer shell which has a cylinder-like central area and two end areas adjoining it.
  • Such a hollow-cylindrical extension is formed on each of the two axial ends of the cylinder-like central area of the outer casing, which protrudes beyond the respective end area.
  • the corresponding body structure, to which the pressure vessel is to be connected has counter-elements adapted to the shape and arrangement of the strap-like compensation elements.
  • the Fastening elements of the compensating elements and the counter-elements can be displaced into one another in an operating position of the pressure vessel by a rotary movement of the pressure vessel about its longitudinal axis and thereby form a form-fitting connection.
  • the method for connecting such a pressure vessel in a body structure comprises the steps: aligning the pressure vessel in such a way that the pressure vessel can be inserted into the body structure from an open side of the body structure perpendicular to its longitudinal axis, with the pressure vessel being rotated about its longitudinal axis for alignment such that the fasteners and mating elements do not interfere with each other during insertion. Insertion of the pressure vessel into the body structure until the deployment position is reached, and rotation of the pressure vessel about its longitudinal axis in such a way that a form-fit connection with the body structure is established.
  • a tool for winding the hollow-cylindrical extensions of the outer shell of the pressure vessel comprises a winding mandrel whose outer radius defines an inner radius of the hollow-cylindrical extension during winding.
  • the winding mandrel can be transferred from a first state with a predetermined winding radius and a cross section resulting therefrom into a second state with a smaller cross section.
  • the winding mandrel can, for example, be designed in several parts, with the transfer from the first to the second state then taking place by dismantling.
  • the method for winding the hollow-cylindrical extension of the outer shell of the pressure vessel using such a tool comprises the steps: moving the winding mandrel into its first state, winding the hollow-cylindrical extension, moving the winding mandrel into 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 allows tolerance compensation due to the elastic compensation area that can be interpreted in the fiber composite, but also forces from the vehicle structure, such as For example, bending and torsional forces from the body rigidity and additional forces from crash load cases, and can thus contribute significantly to increasing the lightweight quality and crash safety of the body.
  • the compensating elements can be introduced into the hollow-cylindrical extension by machining, in particular by milling or cutting.
  • the compensation area and/or the bracket-like compensation elements can have different rigidities in certain areas.
  • Various fiber materials, fiber composites and/or laminate structures can be used in the manufacture of the compensation area and/or the strap-like compensation elements and/or the fastening elements, depending on the desired requirements, such as rigidity, strength, flexibility, elasticity, etc.
  • the outer shell and the hollow-cylindrical extensions can be made of a fiber-reinforced, preferably continuous fiber-reinforced plastic (CFRP, GRP), which is, for example, carbon fiber-reinforced, preferably continuous carbon-fiber reinforced plastic (CFRP), or glass-fiber-reinforced, preferably continuous glass-fiber reinforced plastic (GFRP).
  • CFRP continuous fiber-reinforced plastic
  • GFRP glass-fiber-reinforced, preferably continuous glass-fiber reinforced plastic
  • the outer shell can enclose a fluid-tight inner vessel made of metal or fiber-reinforced plastic or non-reinforced plastic over a large area or form the fluid-tight inner vessel itself.
  • a plurality of strap-like compensating elements with the fastening elements can be distributed equidistantly over the circumference of the hollow-cylindrical extension.
  • the fastening elements of the pressure vessel and the counter-elements of the body structure are also made a non-positive and / or material connection.
  • the fastening elements and the counter-elements can, for example, be screwed and/or glued and/or clipped together.
  • the illustrated exemplary embodiment of a pressure vessel 10 comprises an outer shell 12 which has a cylinder-like central region 14 and two end regions 16, 18 adjoining it.
  • a hollow-cylindrical extension 20 is formed on each of the two axial ends of the cylinder-like central area 14 of the outer casing 12 and protrudes beyond the respective end area 16 , 18 .
  • the respective hollow-cylindrical extension 20 is designed at its open end as a tension and/or compression-elastic compensation area 22, which merges into a plurality of tension and/or compression-elastic, strap-like compensation elements 24, at the end of which a fastening element 26 is designed, which is suitable for this are, with appropriate Fastening elements 32 of a body structure 30 enter into a torsionally rigid connection.
  • the outer shell 12 encloses the fluid-tight inner container 11 in the illustrated embodiment.
  • the fluid-tight inner container 11 can be made, for example, from metal or from fiber-reinforced plastic (CFRP, GRP) or from non-reinforced plastic.
  • the outer shell 12 itself can form the fluid-tight inner container 11 .
  • the outer shell 12 and the hollow-cylindrical extension 20 are made of a fiber-reinforced, preferably an endless fiber-reinforced plastic (CFRP, GRP), which, for example, a carbon fiber-reinforced, preferably an endless carbon fiber-reinforced plastic (CFRP), and / or a glass fiber reinforced, preferably an endless glass fiber-reinforced plastic (GFRP) is.
  • CFRP endless fiber-reinforced plastic
  • GRP endless fiber-reinforced plastic
  • GFRP glass fiber reinforced
  • the compensating elements 24 are introduced into the hollow-cylindrical extension 20 by machining.
  • the compensating area 22 and/or the strap-like compensating elements 24 have different rigidities in some areas in order to achieve the desired tensile and/or pressure-elastic properties. How out Figures 4 and 5 As can further be seen, the compensating area 22 and/or the strap-like compensating elements 24 allow an expansion of the inner container 11 along its longitudinal axis LA and an enlargement of the cross section perpendicular to the longitudinal axis.
  • the inventive method for connecting such a pressure vessel 10 in a body structure 30 is described below with reference to FIG Figures 6 to 8 described. How out Figures 6 to 8 It can further be seen that the body structure 30 has the shape and arrangement of the tab-like Compensating elements 24 adapted counter elements 32 on. The fastening elements 26 of the compensating elements 24 and the counter-elements 32 can be displaced into one another in an operating position of the pressure vessel 10 by rotating the pressure vessel 10 about its longitudinal axis LA and thereby form a positive connection. How out 6 and 7 As can be seen, the pressure vessel 10 is aligned in such a way that the pressure vessel 10 can be inserted into the body structure 30 from an open side of the body structure 30 perpendicular to its longitudinal axis LA.
  • the pressure vessel 10 is rotated about its longitudinal axis LA in such a way that the fastening elements 26 and the counter-elements 32 do not impede one another during insertion, as shown in FIG 7 is evident. How out 7 can further be seen, the pressure vessel 10 is introduced into the body structure 30 until the deployment position is reached. Then the pressure vessel 10 is rotated about its longitudinal axis LA in such a way that a positive connection with the body structure 30 is established, as shown in FIG 8 is evident.
  • a non-positive and/or material connection is produced between the fastening elements 26 of the pressure vessel 10 and the counter-elements 32 of the body structure 30 .
  • the fastening elements 26 and the counter-elements 32 can be screwed and/or glued and/or clipped together, for example.
  • the tool for winding the hollow-cylindrical extension 20 of the outer shell 12 of the pressure vessel 10 with the cylinder-like central area 14 and two adjoining end areas 16, 18 comprises a winding mandrel 40, the outer radius of which defines an inner radius of the hollow-cylindrical extension 20 during winding .
  • the winding mandrel 40 can be transferred from a first state shown, with a predetermined winding radius and a cross section resulting therefrom, into a second state with a smaller cross section.
  • the mandrel 40 is designed in several parts and the transfer from the first to the second state is carried out by a Disassembly of the mandrel 40 by first removing a first mandrel portion 42 and then a second mandrel portion 44 from the coiled 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: moving the winding mandrel 40 into its first state, winding the hollow-cylindrical extension 20, moving the winding mandrel 40 into its second state, and removing the winding mandrel 40 from the hollow cylindrical extension 20.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

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.
  • 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 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 Au-ßenwicklung 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.
  • Aus der DE 10 2011 114 213 A1 ist ein gattungsgemäßer Druckbehälter mit einer Außenhülle bekannt, welche einen zylinderähnlichen Mittelbereich und zwei sich daran anschließende Endbereiche aufweist. An beiden axialen Enden des zylinderähnlichen Mittelbereichs der Außenhülle ist jeweils ein hohlzylindrischer über den jeweiligen Endbereich überstehender Fortsatz mit einem Klemmring nachmontiert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckbehälter und 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 füllstandsunabhängige Toleranzausgleich ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Druckbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Anbindung eines solchen Druckbehälters in eine Karosseriestruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 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, welche 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. Hierbei 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.
  • 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 (10)

  1. Druckbehälter (10) mit einer Außenhülle (12), welche einen zylinderähnlichen Mittelbereich (14) und zwei sich daran anschließende Endbereiche (16, 18) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass 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, wobei 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.
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