EP3601870B1 - Druckbehälter sowie verfahren zur herstellung einer aussenhülle für einen druckbehälter - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a pressure vessel according to the preamble of patent claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing an outer shell for such a pressure vessel.
- Pressure vessels and corresponding methods for producing an outer shell for such a pressure vessel are known in numerous variations.
- such pressure vessels can be filled, for example, with gases or gases liquefied under pressure and therefore store a considerable amount of energy.
- a so-called type 4 high-pressure container for compressed natural gas can be installed in a rear cargo space and / or below the floor in the area of a center tunnel of the vehicle body of a vehicle that is operated with natural gas.
- a frequently used method for fastening pressure containers in the vehicle or under the vehicle uses tank straps which allow tolerance compensation when filling the container, but do not have any structural influence of the container rigidity on the body of the vehicle.
- evasion of the pressure tank in the event of plastic deformation of the body for example in the event of a side crash, is ensured, which is intended to ensure protection against damage to the pressure tank.
- the crash energy is thus transmitted only through the components or load paths of the body.
- a pressure vessel of the generic type preferably has a cylindrical design, in which a cylindrical pressure vessel jacket is closed on both sides by outwardly curved, end-face bases.
- the pressure vessel wall can, for example, have a three-layer structure and 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 which is produced via 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, for example, carbon, aramid, glass and / or boron fibers that are embedded in a matrix made of thermosets or thermoplastics.
- the fibers are applied to the plastic liner in different fiber orientations.
- the preferably impact-absorbing outer layer can also be a fiber 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 an outwardly protruding neck piece, in which a valve is integrated, on an end-side container bottom, for example. Otherwise, the high-pressure tank is usually completely smooth on the outside. In its installation position, the high-pressure container is secured in its position in common practice by means of tensioning straps that encompass the smooth-surfaced cylinder wall of the high-pressure container.
- the WO 2016/173587 A1 discloses a polar cap for a pressure vessel for storing pressurized fluids, which is designed as a hybrid structure from an organic sheet with an injection-molded reinforcement structure and wherein the reinforcement structure of the organic sheet consists of thermoplastic material and is designed in the form of ribs.
- the EP 3 289 276 A1 discloses a pressure vessel for storing pressurized fluids comprising at least a first polar cap, wherein this has a substantially axially extending area and is connected to at least one further container element by at least one reinforcement winding of at least one tape.
- the tape at least partially overlaps the axially extending area of the pole cap and an area of the further container element.
- the FR 533 806 A discloses a container for transporting pressurized liquids, the container itself being provided with a cavity into which a utility accessory which can be protected from the outside by a movable cover can be inserted.
- the DE 10 2015 222391 A1 relates to a fiber-reinforced pressure vessel with a dome cap and a method for producing such a pressure vessel.
- the WO 2017/008899 A1 discloses a pressure tank assembly for storing and dispensing compressed fluidic fuels.
- a pressure vessel for a motor vehicle with a fastening device is known.
- the fastening device is designed to connect the pressure vessel to 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 each connected to the pressure vessel in a pressure vessel connection area and extend away from the outer surface of the pressure vessel.
- the pressure vessel connection areas each have an expansion.
- the connecting pin and the bearing are at least partially shaped and arranged at the connecting point in such a way that the extension E is kinematically guided by a movement of the bearing and / or the connecting pin with only one translational degree of freedom.
- a method for producing a pressurizable container which has a cylindrical central part made of a fiber plastic composite material the ends of which, in order to close the container, each have a base part made of a fiber plastic composite material.
- 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 part is defined by the winding mandrel of the winding body and an end of the middle part adjacent to the bottom part, and an outer surface of the bottom part is defined by a plurality of shaping parts.
- 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, the shaping parts being arranged one after the other from a winding axis of the winding body outwards on the winding axis, if a between the winding mandrel and the respective previously arranged shaping part formed partial winding space is filled.
- the object of the present invention is to provide a pressure vessel and a method for producing an outer shell for such a pressure vessel, which can be incorporated into the body structure in a simple manner as a stiffening element.
- a hollow cylindrical extension is formed at both axial ends of a cylinder-like central region of an outer shell, which over the respective end region protrudes and merges at its open end into a plurality of fastening elements, each of which has a planar connection surface arranged radially on the outside.
- the method for producing an outer shell for such a pressure vessel comprises the steps of: wrapping an inner vessel and / or a respective winding mandrel axially adjoining this with a continuous fiber material, so that a hollow cylindrical extension is formed at both axial ends of the cylinder-like central region of the outer shell, which protrudes over the respective end area.
- the outer shell is hardened and the respective extension is mechanically processed in such a way that the fastening elements with the respective flat connection surfaces are formed therefrom.
- the wound continuous fiber material can be provided with a matrix material before hardening.
- the continuous fibers can already be pre-impregnated with the matrix system.
- the fastening elements can be designed as tabs.
- the tabs can each have an opening through which a screw can be passed in order to screw the pressure vessel to the body structure.
- the fastening elements can be introduced into the hollow-cylindrical extension by a first post-machining process, in particular by milling or cutting.
- the planar connection surfaces can then be introduced into the fastening elements by a second machining post-processing, in particular by milling.
- At least the hollow-cylindrical extension of the outer shell can have a round outer contour and a polygonal inner contour with flat inner surfaces and / or round inner surfaces.
- the planar connection surfaces can be formed in the area of the planar inner surfaces. As a result, any number of connection surfaces can be implemented in different angular positions. The connection areas can thus be freely positioned within the axis of rotation and designed independently of the vehicle.
- the outer shell can be made from a fiber-reinforced, preferably a continuous fiber-reinforced plastic.
- the outer shell can have a jacket structure with a radially inner laminate layer and a radially outer laminate layer, at least in the area of the fastening elements.
- the laminate layers can have different fiber materials, it being possible for the radially inner laminate layer to remain undamaged when the flat connection surfaces are formed.
- the fiber composite plastic can be, for example, a carbon fiber reinforced, preferably a continuous carbon fiber reinforced plastic (CFRP), or a glass fiber reinforced, preferably a continuous glass fiber reinforced plastic (GFRP).
- the layers of the inner laminate layer can be made from carbon fibers
- the layers of the outer laminate layer can be made from glass fibers. Due to the superficial damage to the outer laminate layer to represent the flat connection surfaces in the milling process, only the glass fibers but not the carbon fibers of the inner laminate layer are released. The structural properties of the carbon fiber matrix composite are therefore retained, and corrosive interactions with metallic components in the area where the vehicle body structure is attached can be avoided.
- the outer shell can enclose a fluid-tight inner container made of metal or made of fiber-reinforced plastic or of unreinforced plastic over a large area, or it can form the fluid-tight inner container itself.
- the respective winding mandrel can have a polygonal cross section adapted to the planar connection surfaces to be formed, at least in the area of the fastening elements to be formed. This results in different radii in the areas of the round for the inner contour of the shell structure of the outer shell Inner surfaces and the areas of the flat inner surfaces. As a result, the thread tension in the winding process is unequal, which is why the thread can become detached from the tool core in the areas with higher radii. In these areas, due to the constant radius of the outer contour of the jacket structure of the outer casing, a greater wall thickness and thus a partially lower fiber volume content are formed.
- the illustrated embodiment of a pressure vessel 10 comprises an outer shell 12 which has a cylinder-like central region 14 and two adjoining end regions 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 protrudes beyond the respective end region 16, 18.
- the respective hollow cylindrical extension 20 merges at its open end into a plurality of fastening elements 36, each of which has a planar connection surface 38 arranged radially on the outside.
- the outer shell 12 in the illustrated embodiment encloses the fluid-tight inner container 11 over a large area.
- the fluid-tight inner container 11 can be made, for example, of metal or of fiber-reinforced plastic (CFRP, GFRP) or of non-reinforced plastic.
- the outer shell 12 itself can form the fluid-tight inner container 11.
- the outer shell 12 is made of a fiber-reinforced, preferably a continuous fiber-reinforced plastic (CFRP, GFRP), which is, for example, a carbon fiber reinforced, preferably a continuous carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and / or a glass fiber reinforced, preferably a continuous glass fiber reinforced plastic (GFRP).
- the in Fig. 1 shown inner container 11 and at both ends axially adjoining winding mandrels, not shown, wrapped with a continuous fiber material so that a hollow cylindrical extension 20 is formed at both axial ends 16, 18 of the cylinder-like central region 14 of the outer shell 12, which over the respective end region 16, 18 survives as out Fig. 2 can be seen further.
- the wound continuous fiber material is then provided with a matrix material.
- the continuous fibers can already be pre-impregnated with the matrix system.
- the outer shell 12 then hardens.
- the respective winding mandrel has, at least in the area of the fastening elements 36 to be formed, a polygonal cross section that is adapted to the flat connection surfaces 38 to be formed.
- the hollow cylindrical extensions 20 of the outer shell 12 have a round outer contour 24 and a polygonal inner contour 22 with planar inner surfaces 26 and round inner surfaces 28.
- the inner contour 22 is sixteen-sided with eight planar and eight round alternating inner surfaces 26, 28. In the angular regions of the planar inner surfaces 26, the winding radius of the inner contour 22 is significantly larger than on the round inner surfaces 28 of the inner contour. As a result, the thread tension in the winding process is unequal, which is why the thread can become detached from the tool core in the areas with higher radii. In these areas, due to the constant radius of the outer contour 24 of the jacket structure 30 of the outer sheath 12, a greater wall thickness and thus a partially lower fiber volume content are formed.
- the outer shell 12 has, at least in the area of the fastening elements 36, a jacket structure 30 with a radially inner laminate layer 32 and a radially outer laminate layer 34.
- a jacket structure 30 with a radially inner laminate layer 32 and a radially outer laminate layer 34.
- different fiber materials can be used according to the desired requirements, such as rigidity, strength, impact detection, etc.
- the inner laminate layer 32 is made from carbon fiber layers and the outer laminate layer 34 is made from glass fiber layers.
- the extensions 20 are mechanically processed according to the invention in such a way that the fastening elements 36 with the respective planar connection surfaces 38 are formed therefrom.
- the fastening elements 36 are introduced into the respective hollow-cylindrical extension 20 by a first machining post-processing, for example by milling or cutting.
- the planar connection surfaces 38 are introduced into the fastening elements 36 by a second machining post-processing, for example by milling.
- the fastening elements 36 in the illustrated embodiment are designed as tabs 36A, each of which has a fastening opening. Screws can be passed through the fastening openings in order to screw the pressure vessel 10 to a body structure (not shown) of a vehicle.
- planar connection surfaces 38 are formed in the area of the planar inner surfaces 26. Furthermore, the radially inner laminate layer 32 remains undamaged when the flat connection surfaces 38 are formed. Thus, due to the superficial damage to the outer laminate layer 34 to represent the planar connection surfaces 38 in the milling process, only the glass fibers of the outer laminate layer 34, but not the carbon fibers of the inner laminate layer 32, are released. Therefore, the structural properties of the carbon fiber matrix composite of the inner laminate layer 32 are advantageously retained. In addition, corrosive interactions with metallic components in the connection area of the body structure of the vehicle are advantageously avoided.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Außenhülle für einen solchen Druckbehälter.
- Druckbehälter und korrespondierende Verfahren zur Herstellung einer Außenhülle für einen solchen Druckbehälter sind in zahlreichen Variationen bekannt. Allgemein können solche Druckbehälter beispielsweise mit Gasen oder druckverflüssigten Gasen befüllt werden und daher eine erhebliche Energiemenge speichern. So kann beispielsweise ein sogenannter Typ-4-Hochdruckbehälter für komprimiertes Erdgas in einem heckseitigen Laderaum und/oder unterflurig im Bereich eines Mitteltunnels der Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs verbaut sein, welches mit Erdgas betrieben wird.
- Ein häufig eingesetztes Verfahren zur Befestigung von Druckbehältern im Fahrzeug bzw. unter dem Fahrzeug verwendet Tankspannbänder, welche einen Toleranzausgleich beim Befüllen des Behälters ermöglichen, jedoch keinen strukturellen Einfluss der Behältersteifigkeit auf die Karosserie des Fahrzeugs bieten. Zudem ist ein Ausweichen des Drucktanks bei plastischer Verformung der Karosserie, beispielsweise bei einem Seitencrash gewährleistet, wodurch der Schutz vor Beschädigung des Drucktanks sichergestellt werden soll. Somit erfolgt die Übertragung der Crashenergie einzig durch die Bauteile bzw. Lastpfade der Karosserie.
- Ein gattungsgemäßer Druckbehälter weist bevorzugt eine zylindrische Bauform auf, bei der ein zylindrischer Druckbehältermantel durch nach außen gewölbte, stirnseitige 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 dem oben erwähnten Typ-4-Hochdruckbehälter 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.
- Die
WO 2016/173587 A1 offenbart eine Polkappe für einen Druckbehälter zur Speicherung von unter Druck stehenden Fluiden, wobei diese als Hybridstruktur aus einem Organoblech mit einer angespritzten Verstärkungsstruktur ausgebildet ist und wobei die Verstärkungsstruktur des Organobleches aus thermoplastischem Kunststoff besteht und in Form von Rippen ausgebildet ist. - Die
EP 3 289 276 A1 offenbart einen Druckbehälter zur Speicherung von unter Druck stehenden Fluiden, umfassend mindestens eine erste Polkappe, wobei diese einen sich im Wesentlichen axial erstreckenden Bereich aufweist und mit mindestens einem weiteren Behälterelement durch mindestens eine Verstärkungswicklung mindestens eines Tapes verbunden ist. Das Tape überlappt den sich axial erstreckenden Bereich der Polkappe und einen Bereich des weiteren Behälterelementes mindestens teilweise. - Die
FR 533 806 A - Die
DE 10 2015 222391 A1 betrifft einen faserverstärkten Druckbehälter mit einer Domkappe und Verfahren zur Herstellung eines solchen Druckbehälters. - Die
WO 2017/008899 A1 offenbart eine Drucktankanordnung zur Speicherung und Abgabe komprimierter fluidischer Kraftstoffe. - 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 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Außenhülle für einen solchen Druckbehälter bereitzustellen, welcher in einfacher Weise als Versteifungselement in die Karosseriestruktur eingebunden werden kann.
- Diese Aufgabe wird durch einen Druckbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer Außenhülle für einen Druckbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
- Um einen Druckbehälter sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Außenhülle für einen solchen Druckbehälter bereitzustellen, welcher in einfacher Weise als Versteifungselement in die Karosseriestruktur eingebunden werden kann, ist an beiden axialen Enden eines zylinderähnlichen Mittelbereichs einer Außenhülle jeweils ein hohlzylindrischer Fortsatz ausgebildet, welcher über den jeweiligen Endbereich übersteht und an seinem offenen Ende in mehrere Befestigungselemente übergeht, welche jeweils eine radial außen angeordnete plane Anbindungsfläche aufweisen.
- Das Verfahren zur Herstellung einer Außenhülle für einen solchen Druckbehälter umfasst die Schritte: Umwickeln eines Innenbehälters und/oder eines jeweiligen sich axial an diesen anschließenden Wickeldorns mit einem Endlosfasermaterial, so dass an beiden axialen Enden des zylinderähnlichen Mittelbereichs der Außenhülle jeweils ein hohlzylindrischer Fortsatz ausgebildet ist, welcher über den jeweiligen Endbereich übersteht. Aushärten der Außenhülle und mechanisches Bearbeiten des jeweiligen Fortsatzes erfolgen derart, dass daraus die Befestigungselemente mit den jeweiligen planen Anschlussflächen ausgeformt werden. Hierbei kann das gewickelte Endlosfasermaterial vor dem Aushärten mit einem Matrixmaterial versehen werden. Alternativ können die Endlosfasern bereits mit dem Matrixsystem vorimprägniert sein.
- In vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters können die Befestigungselemente als Laschen ausgeführt werden. Hierbei können die Laschen jeweils eine Öffnung aufweisen, durch welche eine Schraube geführt werden kann, um den Druckbehälter mit der Karosseriestruktur zu verschrauben.
- In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters können die Befestigungselemente durch eine erste spanabhebende Nachbearbeitung, insbesondere durch Fräsen oder Schneiden, in den hohlzylindrischen Fortsatz eingebracht werden. Die planen Anbindungsflächen können dann durch eine zweite spanabhebende Nachbearbeitung, insbesondere durch Fräsen, in die Befestigungselemente eingebracht werden.
- In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters kann zumindest der hohlzylindrische Fortsatz der Außenhülle eine runde Außenkontur und eine vieleckige Innenkontur mit planen Innenflächen und/oder runden Innenflächen aufweisen. Zudem können die planen Anbindungsflächen im Bereich der planen Innenflächen ausgebildet werden. Dadurch können beliebig viele Anbindungsflächen in unterschiedlichen Winkelpositionen realisiert werden. Die Anbindungsbereiche können somit innerhalb der Drehachse frei positioniert und fahrzeugunabhängig ausgelegt werden.
- In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters kann die Außenhülle aus einem faserverstärkten, vorzugsweise einem endlosfaserverstärkten Kunststoff gefertigt werden. Zudem kann die Außenhülle zumindest im Bereich der Befestigungselemente eine Mantelstruktur mit einer radial inneren Laminatschicht und einer radial äußeren Laminatschicht aufweisen. Hierbei können die Laminatschichten verschiedene Fasermaterialien aufweisen, wobei die radial innere Laminatschicht beim Ausformen der planen Anschlussflächen unbeschädigt bleiben kann. Der Faserverbundkunststoff kann beispielsweise ein kohlefaserverstärkter, vorzugsweise ein endloskohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK), oder ein glasfaserverstärkter, vorzugsweise ein endlosglasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) sein. Bei der Herstellung der Außenhülle können verschiedene Faserwerkstoffe in Abhängigkeit der gewünschten Anforderungen, wie beispielsweise Steifigkeit, Festigkeit, Impact-Detektierung, usw., verwendet werden. Hierbei können beispielsweise die Lagen der inneren Laminatschicht aus Kohlefasern, die Lagen der äußeren Laminatschicht aus Glasfasern hergestellt werden. Durch die oberflächliche Beschädigung der äußeren Laminatschicht zur Darstellung der planen Anbindungsflächen im Fräsvorgang werden nur die Glasfasern jedoch nicht die Kohlefasern der inneren Laminatschicht freigesetzt. Daher bleiben die strukturellen Eigenschaften des Kohlefasermatrixverbunds erhalten, zudem können korrosive Wechselwirkungen zu metallischen Bauteilen im Anbindungsbereich der Karosseriestruktur des Fahrzeugs vermieden werden.
- 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 vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung einer Außenhülle für einen solchen Druckbehälter kann der jeweilige Wickeldorn zumindest im Bereich der auszubildenden Befestigungselemente einen polygonalen und auf die auszubildenden planen Anschlussflächen angepassten polygonalen Querschnitt aufweisen. Dadurch entstehen für die Innenkontur der Mantelstruktur der Außenhülle unterschiedliche Radien in den Bereichen der runden Innenflächen und den Bereichen der planen Innenflächen. Dadurch ist die Fadenspannung im Wickelprozess ungleich, weshalb in den Bereichen mit höheren Radien Ablösungen des Fadens zum Werkzeugkern entstehen können. Es bilden sich in diesen Bereichen aufgrund des konstanten Radius der Außenkontur der Mantelstruktur der Außenhülle eine höhere Wanddicke und somit ein partiell niedrigerer Faservolumengehalt aus.
- 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.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird 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 Innenbehälters für einen erfindungsgemäßen Druckbehälter;
- Fig. 2
- eine schematische perspektivische Darstellung des mit einer Außenhülle umwickelten Innenbehälters aus
Fig. 1 vor einer mechanischen Bearbeitung; - Fig. 3
- eine schematische Schnittdarstellung der Außenhülle im Bereich eines hohlzylindrischen Fortsatzes,
- Fig. 4
- eine Darstellung eines Details IV aus
Fig. 3 , - Fig. 5
- eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckbehälters; und
- Fig. 6
- eine Darstellung eines Details VI aus
Fig. 6 . - Wie aus
Fig. 1 bis 6 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen 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 geht der jeweilige hohlzylindrische Fortsatz 20 an seinem offenen Ende in mehrere Befestigungselemente 36 über, welche jeweils eine radial außen angeordnete plane Anbindungsfläche 38 aufweisen.
- Wie aus
Fig. 2 und5 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 ist 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. - Gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Außenhülle 12 für einen Druckbehälter 10 wird der in
Fig. 1 dargestellte Innenbehälter 11 und sich an beiden Enden axial anschließende nicht dargestellte Wickeldorne mit einem Endlosfasermaterial umwickelt, so dass an beiden axialen Enden 16, 18 des zylinderähnlichen Mittelbereichs 14 der Außenhülle 12 jeweils ein hohlzylindrischer Fortsatz 20 ausgebildet wird, welcher über den jeweiligen Endbereich 16, 18 übersteht, wie ausFig. 2 weiter ersichtlich ist. Anschließend wird das gewickelte Endlosfasermaterial mit einem Matrixmaterial versehen. Alternativ können die Endlosfasern bereits mit dem Matrixsystem vorimprägniert sein. Anschließend härtet die Außenhülle 12 aus. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der jeweilige Wickeldorn zumindest im Bereich der auszubildenden Befestigungselemente 36 einen polygonalen und auf die auszubildenden planen Anschlussflächen 38 angepassten polygonalen Querschnitt auf. - Wie aus
Fig. 3 und 4 weiter ersichtlich ist, weisen zumindest die hohlzylindrischen Fortsätze 20 der Außenhülle 12 eine runde Außenkontur 24 und eine vieleckige Innenkontur 22 mit planen Innenflächen 26 und runden Innenflächen 28 auf. Wie ausFig. 3 und 4 weiter ersichtlich ist, ist die Innenkontur 22 sechzehneckig mit acht planen und acht runden sich abwechselnden Innenflächen 26, 28 ausgeführt. In den Winkelbereichen der planen Innenflächen 26 ist der Wickelradius der Innenkontur 22 deutlich größer als an den runden Innenflächen 28 der Innenkontur. Dadurch ist die Fadenspannung im Wickelprozess ungleich, weshalb in den Bereichen mit höheren Radien Ablösungen des Fadens zum Werkzeugkern entstehen können. Es bilden sich in diesen Bereichen aufgrund des konstanten Radius der Außenkontur 24 der Mantelstruktur 30 der Außenhülle 12 eine höhere Wanddicke und somit ein partiell niedrigerer Faservolumengehalt aus. - Wie insbesondere aus
Fig. 3 und 4 weiter ersichtlich ist, weist die Außenhülle 12 zumindest im Bereich der Befestigungselemente 36 eine Mantelstruktur 30 mit einer radial inneren Laminatschicht 32 und einer radial äußeren Laminatschicht 34 auf. Zur Generierung der Mantelstruktur 30 können verschiedene Faserwerkstoffe gemäß den gewünschten Anforderungen, wie Steifigkeit, Festigkeit, Impact-Detektierung usw. verwendet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die innere Laminatschicht 32 aus Kohlefaserlagen hergestellt, und die äußere Laminatschicht 34 ist aus Glasfaserlagen hergestellt. - Nach dem Aushärten der Außenhülle 12 werden die Fortsätze 20 erfindungsgemäß derart mechanisch bearbeitet, dass daraus die Befestigungselemente 36 mit den jeweiligen planen Anschlussflächen 38 ausgeformt werden. Hierbei werden die Befestigungselemente 36 durch eine erste spanabhebende Nachbearbeitung, beispielsweise durch Fräsen oder Schneiden, in den jeweiligen hohlzylindrischen Fortsatz 20 eingebracht. Anschließend werden die planen Anbindungsflächen 38 durch eine zweite spanabhebende Nachbearbeitung, beispielsweise durch Fräsen, in die Befestigungselemente 36 eingebracht. Wie aus
Fig. 5 und 6 weiter ersichtlich ist, sind die Befestigungselemente 36 im dargestellten Ausführungsbeispiel als Laschen 36A ausgeführt, welche jeweils eine Befestigungsöffnung aufweisen. Durch die Befestigungsöffnungen können Schrauben geführt werden, um den Druckbehälter 10 mit einer nicht dargestellten Karosseriestruktur eines Fahrzeugs zu verschrauben. - Zudem sind die planen Anbindungsflächen 38 im Bereich der planen Innenflächen 26 ausgebildet. Des Weiteren bleibt die radial innere Laminatschicht 32 beim Ausformen der planen Anschlussflächen 38 unbeschädigt. Somit werden durch die oberflächliche Beschädigung der äußeren Laminatschicht 34 zur Darstellung der planen Anbindungsflächen 38 im Fräsvorgang nur die Glasfasern der äußeren Laminatschicht 34 jedoch nicht die Kohlefasern der inneren Laminatschicht 32 freigesetzt. Daher bleiben die strukturellen Eigenschaften des Kohlefasermatrixverbunds der inneren Laminatschicht 32 in vorteilhafter Weise erhalten. Außerdem werden korrosive Wechselwirkungen zu metallischen Bauteilen im Anbindungsbereich der Karosseriestruktur des Fahrzeugs in vorteilhafter Weise vermieden.
-
- 10
- Druckbehälter
- 11
- Innenbehälter
- 12
- Außenhülle
- 14
- Mittelbereich
- 16, 18
- Endbereich
- 20
- Fortsatz
- 22
- Innenkontur
- 24
- Außenkontur
- 26
- plane Innenfläche
- 28
- runde Innenfläche
- 30
- Mantelstruktur
- 32
- innere Laminatschicht
- 34
- äußere Laminatschicht
- 36
- Befestigungselement
- 36A
- Lasche
- 38
- Anbindungsfläche
Claims (14)
- 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 in mehrere Befestigungselemente (36) übergeht, welche jeweils eine radial außen angeordnete plane Anbindungsfläche (38) aufweisen. - Druckbehälter (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Befestigungselemente (36) als Laschen (36A) ausgeführt sind. - Druckbehälter (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Befestigungselemente (36) durch eine spanabhebende erste Nachbearbeitung in den korrespondierenden hohlzylindrischen Fortsatz (20) eingebracht sind, wobei die planen Anbindungsflächen (38) durch eine spanabhebende zweite Nachbearbeitung in die Befestigungselemente (36) eingebracht sind. - Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest der hohlzylindrische Fortsatz (20) der Außenhülle (12) eine runde Außenkontur (24) und eine vieleckige Innenkontur (22) mit planen Innenflächen (26) und/oder runden Innenflächen (28) aufweist. - Druckbehälter (10) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die planen Anbindungsflächen (38) im Bereich der planen Innenflächen (26) ausgebildet sind. - Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Außenhülle (12) aus einem faserverstärkten, vorzugsweise einem endlosfaserverstärkten Kunststoff (CFK, GFK) gefertigt ist. - Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Außenhülle (12) zumindest im Bereich der Befestigungselemente (36) eine Mantelstruktur (30) mit einer radial inneren Laminatschicht (32) und einer radial äußeren Laminatschicht (34) aufweist. - Druckbehälter (10) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Laminatschichten (32, 34) verschiedene Fasermaterialien aufweisen, wobei die radial innere Laminatschicht (32) beim Ausformen der planen Anschlussflächen (38) unbeschädigt bleibt. - Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Faserverbundkunststoff ein kohlefaserverstärkter, vorzugsweise ein endloskohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder ein glasfaserverstärkter, vorzugsweise ein endlosglasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ist. - Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
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. - Verfahren zur Herstellung einer Außenhülle (12) für einen Druckbehälter (10), welcher nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist, mit den Schritten:Umwickeln eines Innenbehälters (11) und/oder eines jeweiligen sich axial an diesen anschließenden Wickeldorns mit einem Endlosfasermaterial, so 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, Aushärten der Außenhülle (12), undmechanisches Bearbeiten des jeweiligen Fortsatzes (20) derart, dass daraus die Befestigungselemente (36) mit den jeweiligen planen Anschlussflächen (38) ausgeformt werden.
- Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das gewickelte Endlosfasermaterial vor dem Aushärten mit einem Matrixmaterial versehen wird. - Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Endlosfasern bereits mit einem Matrixsystem vorimprägniert werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der jeweilige Wickeldorn zumindest im Bereich der auszubildenden Befestigungselemente (36) einen polygonalen und auf die auszubildenden planen Anschlussflächen (38) angepassten polygonalen Querschnitt aufweist.
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