DE102013110468B4

DE102013110468B4 - Prallelement und Tragrahmen für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013110468B4
Application number: DE102013110468.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Keller; Eduard Ewert
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2024-04-25
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: CN204109951U; DE102013110468A1; US9254873B2; US20150083507A1

Abstract

Prallelement (10) für ein Kraftfahrzeug (70), mit einem flachen Grundkörper (12), der aus einem starren Material gebildet ist und an einer Seite (50) Verbindungsabschnitte (16) aufweist, um den Grundkörper (12) an einem Tragrahmen (72) des Kraftfahrzeugs (70) festzulegen, wobei der Grundkörper (12) eine gasdichte Kammer (24) aufweist, in der mindestens eine Öffnung (26) gebildet ist, um die Kammer (24) mit Druckluft zu füllen, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) eine Mehrzahl von Kammern (24) aufweist, die mittels Öffnungen (54, 56) miteinander verbunden sind, wobei die Kammern (24) einerseits nebeneinander und andererseits zwischen der Prallplatte (14) und den Verbindungsabschnitten (16) in einer inneren Reihe (46) aus mehreren nebeneinander angeordneten Kammern (24) und einer äußeren Reihe (48) aus mehreren nebeneinander angeordneten Kammern (24) hintereinander angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Prallelement für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Tragrahmen für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens zwei Längsträgern, die sich zu einem Ende des Kraftfahrzeugs hin erstrecken, und einer Aufnahme zum Aufnehmen eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, die zwischen den Längsträgern angeordnet ist.
Derartige Prallelemente bzw. derartige Tragrahmen dienen dazu, im Falle eines Aufpralls eines Kraftfahrzeugs Verformungsenergie aufzunehmen und die passive Sicherheit des Kraftfahrzeugs zu erhöhen
Elektrische Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, die beispielsweise eine Traktionsbatterie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bilden, weisen üblicherweise eine Mehrzahl von Batteriezellen auf, die üblicherweise in einem starren stabilen Gehäuse zum Schutz vor Beschädigungen aufgenommen sind. Im Falle eines Aufpralls des Kraftfahrzeugs können hohe Kräfte und hohe Beschleunigungsspitzen auftreten, so dass insbesondere die Traktionsbatterien von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, die üblicherweise in einem vorderen oder hinteren Bereich nahe des Stoßfängers angeordnet sind, beschädigt werden können. Da derartige Beschädigungen der Traktionsbatterie die Insassen und andere Personen gefährden können, beispielsweise durch Überspannungen an freiliegenden elektrischen Komponenten, müssen die Traktionsbatterien von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen für den Fall eines Aufpralls besonders geschützt werden.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Möglichkeiten bekannt, um die Traktionsbatterie vor Beschädigungen zu schützen. Üblicherweise werden die Traktionsbatterien dazu in einem starren Käfig bzw. in einem Teil des Tragrahmens des Kraftfahrzeugs aufgenommen, um bei möglichen Verformungen des Kraftfahrzeugs die Traktionsbatterie zu schützen. Nachteilig dabei ist es, dass ein erhöhter Materialbedarf für derartige Konstruktionen besteht und dadurch das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs erhöht ist.
Aus der DE 10 2005 042 357 A1 ist ein Deformationselement bekannt für einen Frontbereich eines Kraftfahrzeugs, das einen mit Fluid gefüllten Raum mit Öffnungen aufweist, durch die hindurch bei einem Aufprall auf das Deformationselement das Fluid entweichen kann und wobei die Öffnungen so angeordnet und bemessen sind, dass eine lokale kurzzeitige Krafteinwirkung das Fluid leicht entweichen lässt und bei einer großflächigen Krafteinwirkung das Fluid nicht entweichen kann, um für den Fall eines Aufpralls des Kraftfahrzeugs eine erhöhte Steifigkeit des Deformationselements bereitzustellen. Nachteilig dabei ist es, dass das Fluid das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs erhöht und zum Schutz einer Traktionsbatterie nur bedingt geeignet ist, da auch kurzzeitige lokale Krafteinwirkungen die Traktionsbatterie beschädigen können.
DE 199 63 068 A1 offenbart ein Prallelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
DE 195 46 332 A1 , DE 10 2011 103 499 A1 , CN 102 205 855 A , DE 10 2008 039 514 A1 , JP H06- 263 057 A und US 2012 / 0 175 898 A1 offenbaren weiteren Stand der Technik.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Prallplatte für ein Kraftfahrzeug und einen Tragrahmen für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine erhöhte passive Sicherheit bei gleichzeitig geringer Gewichtszunahme des Kraftfahrzeugs ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Prallelement nach Anspruch 1 und einen Tragrahmen nach Anspruch 10 gelöst.
Das Prallelement ist gasdicht ausgebildet und entsprechend mit Druckluft gefüllt. Hierdurch kann die Stabilität bzw. die Steifigkeit des Prallelements erhöht werden, wobei das Gewicht des Prallelements nicht erhöht ist. Dadurch kann die passive Sicherheit des Kraftfahrzeugs im Allgemeinen verbessert werden, wobei das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs nicht signifikant erhöht ist.
Der Grundkörper weist eine Mehrzahl von Kammern auf, die mittels Öffnungen miteinander verbunden sind. Durch ein derartiges Mehrkammersystem kann die Stabilität des Prallelements erhöht werden.
Die Kammern sind nebeneinander angeordnet sind. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Kammern in einer Bewegungsrichtung des Kraftfahrzeugs nebeneinander angeordnet sind. Dadurch kann ein Aufprall in Fahrtrichtung durch die dadurch entstehenden Zwischenwände besonders gut aufgenommen werden, wodurch die Stabilität des Prallelements im Allgemeinen erhöht ist.
Ferner sind die Kammern zwischen der Prallplatte und den Verbindungsabschnitten hintereinander angeordnet. Dadurch kann die Aufprallenergie in mehreren Stufen der hintereinander angeordneten Kammern aufgenommen werden, wodurch eine verbesserte Knautschzone erzielt werden kann.
In einer besonderen Ausführungsform weist das Prallelement eine Prallplatte auf, die an einer Seite des Grundkörpers gebildet ist und den Verbindungsabschnitten gegenüberliegt.
Dadurch kann beim Aufprall die Aufprallenergie besonders gleichmäßig auf die Verbindungsabschnitte übertragen werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn an der wenigstens einen Öffnung ein Anschlusselement gebildet ist, um die Öffnung mit einem Kompressor zu verbinden.
Dadurch kann je nach Bedarf der Kammer Druckluft zugeführt und gespeichert werden und für beliebige Zwecke bereitgehalten werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Grundkörper eine zweite Öffnung aufweist, um die Druckluft aus der Kammer herauszuführen. Dadurch kann die Druckluft beliebigen Anwendungen im Kraftfahrzeug zugeführt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Kammer wenigstens eine Sicherungsöffnung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Druckluft abzuführen, sofern die Kammer eine Beschädigung aufweist. Dadurch kann die in der Kammer gespeicherte Druckluft kontrolliert im Falle eines Aufpralls abgeführt werden, wodurch der Schutz der Insassen und anderer Personen verbessert wird.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Sicherungsöffnung ein Überdruckventil aufweist. Dadurch kann bei einer Verformung mit technisch geringem Aufwand der entstehende Überdruck abgeführt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Sicherungsöffnung eine Sollbruchstelle bildet. Dadurch kann bei einer Verformung des Grundkörpers die Druckluft kontrolliert an einem vordefinierten Abschnitt des Grundkörpers mit geringem technischem Aufwand abgeführt werden.
Es ist weiter bevorzugt, wenn der flache Grundkörper eine ebene Grundform aufweist. Dadurch kann das Prallelement mit geringem Aufwand gefertigt werden und bedarf eines geringen Bauraums im Kraftfahrzeug.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der flache Grundkörper eine gebogene Grundform aufweist. Dadurch kann die Stabilität des Prallelements weiter erhöht werden.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Grundkörper aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff gebildet. Dadurch kann das Gewicht des Prallelements weiter reduziert werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Grundkörper aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff gebildet, wodurch die Stabilität bzw. die Steifigkeit des Prallelements weiter erhöht werden kann.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Batterierahmens für ein Kraftfahrzeug mit einem Prallelement;
2a - c verschiedene Ansichten des Prallelements;
3 eine schematische Schnittansicht des Prallelements;
4a - c Ausführungsformen des Prallelements mit unterschiedlichen Grundformen; und

5 eine schematische Teilansicht eines Tragrahmens eines Kraftfahrzeugs mit einer eingebauten Traktionsbatterie und einem Prallelement.
In 1 ist ein Prallelement für ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Prallelement 10 weist einen flachen Grundkörper 12 auf, der an einer Seite eine Prallplatte 14 bildet und an einer gegenüberliegenden Seite mittels Befestigungsabschnitten 16 an einem Batterierahmen 18 oder einem Tragrahmen des Kraftfahrzeugs festgelegt ist. In dem Batterierahmen 18 ist eine Traktionsbatterie 20 aufgenommen.
Das Prallelement 10 ist in einer Bewegungsrichtung, die in 1 durch einen Pfeil 22 angedeutet ist, vor dem Batterierahmen 18 bzw. der Traktionsbatterie 20 angeordnet, so dass das Prallelement 10 bei einem Aufprall des Kraftfahrzeugs Verformungsenergie aufnehmen kann und entsprechend die Traktionsbatterie 20 schützen kann. In einer alternativen Ausführungsform kann das Prallelement 10, sofern die Traktionsbatterie 20 in einem hinteren Bereich des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, in Fahrtrichtung 22 hinter der Traktionsbatterie angeordnet ist, um die Traktionsbatterie 20 bei einem Aufprall beispielsweise durch ein anderes Fahrzeug zu schützen.
Das Prallelement 10 weist eine Mehrzahl von Kammern bzw. Segmenten 24 auf, die in der Fahrtrichtung 22 nebeneinander angeordnet sind und in der Fahrtrichtung 22 hintereinander angeordnet sind, wobei in der in 1 dargestellten Ausführungsform zwei Reihen mit je zwölf Kammern 24 hintereinander angeordnet sind. Das Prallelement 10 weist eine Einlassöffnung 26 und eine Auslassöffnung 28 auf, die jeweils mit einem Verbindungsschlauch 30, 32 verbunden sind, um den Kammern Druckluft zuzuführen und Druckluft aus der Kammer abzuführen und entsprechend einer Verwendung im Kraftfahrzeug zuzuführen. Der Verbindungsschlauch 30, der mit der Einlassöffnung 26 verbunden ist, ist dafür mit einem hier nicht dargestellten Kompressor verbunden.
An dem Prallelement 10 sind ferner Sicherungsöffnungen 34, 36 ausgebildet, die im Falle eines Aufpralls des Kraftfahrzeugs oder im Allgemeinen bei einer Beschädigung des Prallelements 10 bzw. der Kammern 24 die Druckluft aus den Kammern 24 kontrolliert abführen. Die Sicherungsöffnungen 34, 36 können dabei als Membran, Überdruckventil oder als Sollbruchstelle in dem Grundkörper 12 ausgebildet sein.
Der Batterierahmen 18 weist eine Mehrzahl von Längsträgern 38 und eine Mehrzahl von Querträgern 40 auf, die einen starren Rahmen bilden und mittels Befestigungselementen 42, 44 an einem hier nicht dargestellten Tragrahmen des Kraftfahrzeugs festgelegt sind, um die Traktionsbatterie 20 zu lagern und mechanisch gegen Verformung zu schützen.
Der Grundkörper 12 kann aus Metall in Form von Strangpressprofilen gefertigt werden oder alternativ aus Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK) oder aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) gebildet sein. Zur Verbesserung der Energieaufnahme können die Kammern 24, die der Traktionsbatterie 20 zugewandt sind, mit einer höheren Wandstärke, z.B. 3,0 mm, ausgebildet sein, um die Steifigkeit der jeweiligen Kammern 24 in diesem Bereich zu erhöhen und die Kammern 24, die der Prallplatte 14 zugewandt sind, mit einer geringeren Wandstärke, z.B. 2,0 mm, ausgebildet sein, um eine leichtere Verformbarkeit und ein geringeres Gewicht zu gewährleisten.
Durch das Prallelement 10, das durch die Druckluft verstärkt bzw. versteift ist, kann mit geringem Gewicht ein effektiver Schutz der Traktionsbatterie 20 gebildet werden, der im Falle eines Aufpralls des Kraftfahrzeugs die Verformungsenergie effektiv aufnehmen kann.
In den 2a - c ist das Prallelement 10 und die Traktionsbatterie 20 in unterschiedlichen Blickrichtungen schematisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich Besonderheiten erläutert sind.
In 2a ist das Prallelement 10 und die Traktionsbatterie 20 in einer Draufsicht dargestellt. Die einzelnen Kammern 24 des Prallelements sind in zwei Reihen je nach Einbauort vor bzw. hinter der Traktionsbatterie 20 angeordnet. Die Kammern 24 bilden dabei eine innere Reihe 46 der Kammern 24 und eine äußere Reihe 48 der Kammern 24, die vor- bzw. hintereinander angeordnet sind. Ferner sind zwölf Kammern 24 nebeneinander angeordnet.
In 2b ist eine Vorderansicht auf die Prallplatte 14 schematisch dargestellt. Die Kammern 24 der inneren Reihe 46 und der äußeren Reihe 48 fluchten miteinander und sind in einem oberen Bereich schräg abgeflacht.
In 2c ist eine Seitenansicht des Prallelements 10 und der Traktionsbatterie 20 dargestellt. Der Grundkörper 12 weist eine konkave Grundform auf, wobei die Prallplatte 14 konvex gebogen ist, um Aufprallenergie besser aufnehmen zu können. Die Kammern 24 der beiden Reihen 46, 48 sind an einem oberen Ende schräg abgeflacht und eine innere Fläche 50 des Prallelements 10 ist konvex ausgebildet entsprechend der konkaven Krümmung der Prallplatte14 . Dadurch kann die Verformungsenergie durch das Prallelement 10 besser verteilt werden und eine allgemein höhere Steifigkeit bereitgestellt werden.
In 3 ist eine schematische Schnittansicht des Prallelements 10 und der Traktionsbatterie 20 dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
Die Kammern 24 sind mittels Trennwänden 52 voneinander getrennt, um die Steifigkeit des Prallelements 10 im Allgemeinen zu erhöhen, wobei sich die Trennwände 52 in einer Richtung der Fahrtrichtung 22 erstrecken. Die Trennwände 52 weisen jeweils eine Öffnung 54, 56 auf, um die Kammern 24 miteinander zu verbinden, so dass sich die Druckluft in dem Prallelement 10 gleichmäßig verteilen kann. Die Kammern 24 der inneren Reihe 46 und der äußeren Reihe 48 sind mittels einer Quertrennwand 58 voneinander getrennt, um so die Steifigkeit des Prallelements weiter zu verbessern.
In den 4a - c sind Ausführungsformen des Prallelements 10 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Ausführungsformen aus den 4a - c weisen unterschiedliche Grundformen des Grundkörpers 12 auf.
In 4a weist der Grundkörper 12 eine flache und gebogene Grundform auf, wie bereits in den 1 bis 3 dargestellt. Dabei ist die innere Fläche 50 konkav gekrümmt und die Prallplatte 14 konvex gekrümmt.
In 4b ist eine vereinfachte Form des Grundkörpers 12 schematisch dargestellt. Dabei weist der Grundkörper 12 eine im Wesentlichen ebene Grundform auf, wobei die innere Fläche 50 und die Prallplatte 14 jeweils eine Ebene bilden, die parallel zueinander angeordnet sind.
In 4c ist das Prallelement 10 bestehend aus zwei nebeneinander angeordneten Teilen 60, 62 gebildet, die jeweils nebeneinander und hintereinander angeordnete Kammern 24 aufweisen. Die beiden Teile 60, 62 können miteinander verbunden sein, um die Druckluft miteinander auszutauschen oder aber separat Druckluftkammern bilden.
In 5 ist eine schematische Teilansicht eines Kraftfahrzeugs 70 schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeug 70 weist einen Tragrahmen 72 auf, der zwei parallele Längsträger 74, 76 beinhaltet, die sich von einem Fahrwerk 78 aus zu einem Endabschnitt des Fahrzeugs 70 hin erstrecken. Der Endabschnitt des Kraftfahrzeugs 70 ist in der hier dargestellten Ausführungsform ein hinterer Teil des Kraftfahrzeugs 70, wobei zwischen den Längsträgern 74, 76 der Batterierahmen 18 und die Traktionsbatterie 20 angeordnet sind. Hinter dem Batterierahmen 18 ist das Prallelement 10 angeordnet und mittels der Befestigungsabschnitte 16 an dem Batterierahmen 18 festgelegt. Dadurch kann die Traktionsbatterie 20 durch das Prallelement 10 bei einem Aufprall eines anderen Kraftfahrzeugs auf den hinteren Abschnitt des Kraftfahrzeugs 70 effektiv geschützt werden, wodurch die passive Sicherheit der Insassen und anderer beteiligter Personen vor beispielsweise Überspannungen der Traktionsbatterie 20 geschützt sind.

Claims

Prallelement (10) für ein Kraftfahrzeug (70), mit einem flachen Grundkörper (12), der aus einem starren Material gebildet ist und an einer Seite (50) Verbindungsabschnitte (16) aufweist, um den Grundkörper (12) an einem Tragrahmen (72) des Kraftfahrzeugs (70) festzulegen, wobei der Grundkörper (12) eine gasdichte Kammer (24) aufweist, in der mindestens eine Öffnung (26) gebildet ist, um die Kammer (24) mit Druckluft zu füllen, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) eine Mehrzahl von Kammern (24) aufweist, die mittels Öffnungen (54, 56) miteinander verbunden sind, wobei die Kammern (24) einerseits nebeneinander und andererseits zwischen der Prallplatte (14) und den Verbindungsabschnitten (16) in einer inneren Reihe (46) aus mehreren nebeneinander angeordneten Kammern (24) und einer äußeren Reihe (48) aus mehreren nebeneinander angeordneten Kammern (24) hintereinander angeordnet sind.
Prallelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) eine Prallplatte (14) aufweist, die an einer Seite des Grundkörpers (12) ausgebildet ist und den Verbindungsabschnitten (16) gegenüberliegt.
Prallelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der wenigstens einen Öffnung (26), die der Drückluftfüllung der jeweiligen Kammer (24) dient, ein Anschlusselement (30) gebildet ist, um die jeweilige Kammer (24) mit einem Kompressor zu verbinden.
Prallelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) eine zweite Öffnung (28) aufweist, um die Druckluft aus der jeweiligen Kammer (24) herauszuführen.
Prallelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (24) wenigstens eine Sicherungsöffnung (34, 36) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Druckluft abzuführen, sofern die jeweilige Kammer (24) eine Beschädigung aufweist.
Prallelement (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsöffnung (34, 36) ein Überdruckventil aufweist.
Prallelement (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsöffnung (34, 36) durch eine Sollbruchstelle gebildet ist.
Prallelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der flache Grundkörper (12) eine ebene Grundform aufweist.
Prallelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der flache Grundkörper (12) eine gebogene Grundform aufweist.
Tragrahmen (72) für ein Kraftfahrzeug (70), mit wenigstens zwei Längsträgern (74, 76), die sich zu einem Ende des Kraftfahrzeugs (70) hin erstrecken, einer Aufnahme zum Aufnehmen eines elektrischen Energiespeichers (20), die zwischen den Längsträgern (74, 76) angeordnet ist und mit einem Prallelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das an einem Endabschnitt der Längsträger (74, 76) angeordnet ist.