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Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugrahmen, mit dessen Hilfe ein Antriebstrang, eine Karosserie und ein Fahrwerk zur Ausbildung eines Kraftfahrzeugs befestigt werden kann.
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Bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug ist es erforderlich eine entsprechend groß dimensionierte Traktionsbatterie, die in der Regel aus mehreren eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisenden Batteriemodulen zusammengesetzt ist, zu verbauen. Hierbei besteht das ständige Bedürfnis die Batteriemodule der Traktionsbatterie bei einem Crash vor Beschädigungen zu schützen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein in einem Fahrzeugrahmen crash-geschützt aufgenommenes Batteriemodul ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Fahrzeugrahmen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Fahrzeugrahmen für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybrid-Kraftfahrzeug, vorgesehen mit mindestens zwei Längsträgern zur Versteifung in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs, mindestens zwei mit den Längsträgern verbundenen Querträgern zur Versteifung in Querrichtung des Kraftfahrzeugs und einem zwischen zwei Längsträgern und Querträgern aufgenommenen Batteriemodul zum elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs, wobei das Batteriemodul oberhalb einer Grenzlast in Querrichtung verschiebbar mit den zwei Querträgern oder in Längsrichtung verschiebbar mit den zwei Längsträgern verklemmt ist.
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Zwischen den zueinander beabstandet verlaufenden Längsträgern und Querträgern können im Wesentlichen rechteckförmige Aufnahmebereiche ausgebildet sein, in denen ein Batteriemodul eingesetzt werden kann. Die miteinander verbundenen Längsträger und Querträger können eine das Batteriemodul seitlich umgreifende Rahmenstruktur ausbilden, die eine hohe Steifigkeit und Stabilität bereitstellt. Bei einem leichten Crash, beispielsweise wenn das Kraftfahrzeug einen feststehenden Gegenstand rammt, können die Längsträger und Querträger die auftretenden Aufprallkräfte abstützen ohne hierbei signifikant verformt zu werden. Bei einem stärkeren Crash ist es jedoch möglich, dass derjenige Längs- oder Querträger, an dem die Aufprallkräfte eingeleitet werden, in das Innere des Kraftfahrzeugs hinein elastisch und/oder plastisch verformt wird. Insbesondere wenn die durch die Längsträger und Querträger begrenzten Aufnahmebereiche im großen Umfang für das Vorsehen von Batteriemodulen genutzt werden sollen, ist es in dieser Situation grundsätzlich möglich, dass der durch die Aufprallkräfte belastete Träger an dem Batteriemodul anschlägt.
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Damit der durch die Aufprallkräfte belastete Träger das Batteriemodul nicht beschädigt, ist das Batteriemodul nicht starr mit den Längsträgern und/oder Querträgern befestigt, sondern in Richtung der zu erwartenden Aufprallkräfte verschiebbar verklemmt. Ein an der Fahrzeugseite positioniertes Batteriemodul kann bei einem Crash in Querrichtung, insbesondere zwischen zwei Querträgern geführt, verschoben werden, während ein frontseitig oder heckseitig positioniertes Batteriemodul bei einem Crash in Längsrichtung, insbesondere zwischen zwei Längsträgern geführt, verschoben werden kann. An der von der Einleitungsstelle der Aufprallkräfte weg weisenden Rückseite des Batteriemoduls ist ausreichender Bauraum vorgehalten, in den das Batteriemodul bei einem Crash hinein ausweichen kann. Wenn bei einem hinreichend starken Crash die an dem Batteriemodul ankommenden Aufprallkräfte die Grenzlast übersteigen, kann die an dem Batteriemodul angreifende Klemmkraft überwunden werden. Das Batteriemodul kann dadurch gegen eine über die Klemmkraft definierte Reibungskraft definiert verschoben werden. Durch die Überwindung der Reibungskraft bei dem Verschieben des Batteriemoduls kann zusätzlich ein Teil der Aufprallenergie dissipiert werden zusätzlich zu der bei der Verformung des an dem Batteriemodul anschlagenden Trägers dissipierten Energie. Die Grenzlast, bei der die an dem Batteriemodul angreifenden Klemmkräfte überwunden werden können, ist hierbei derart bemessen, dass eine Beschädigung des Batteriemoduls durch den an dem Batteriemodul anschlagenden Träger vermieden ist. Durch die reibungsbehaftete Verschiebbarkeit des Batteriemoduls bei einem Crash kann Aufprallenergie zusätzlich dissipiert werden ohne das Batteriemodul zu beschädigen, so dass ein in einem Fahrzeugrahmen crash-geschützt aufgenommenes Batteriemodul ermöglicht ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung exemplarisch am Beispiel eines Seitenaufpralls, bei dem das Batteriemodul an den Querträgern entlang in Querrichtung verschoben werden kann, erläutert, wobei die nachfolgenden Ausführungen analog für einen Frontaufprall und/oder Heckaufprall mit einem an den Längsträgern entlang in Längsrichtung verschiebbaren Batteriemodul gelten.
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Insbesondere weist das Batteriemodul jeweils einen zwischen einem oberen Träger und einem unteren Träger der zwei Querträger oder der zwei Längsträger verklemmten Flansch auf. Der Flansch kann sich insbesondere über die gesamte Erstreckung des Batteriemoduls in Querrichtung beziehungsweise Längsrichtung erstrecken. Der Flansch kann an seiner nach oben weisenden Oberseite flächig an einer Unterseite des oberen Trägers und/oder an seiner nach unten weisenden Unterseite flächig an einer Oberseite des unteren Trägers anliegen. Dadurch ergibt sich eine große Reibungsfläche, mit deren Hilfe die Grenzlast, bei welcher die Klemmung des Flanschs zwischen dem oberen Träger und dem unteren Träger, eingestellt werden kann. Vorzugsweise verläuft eine Seitenwand des Batteriemoduls, von welcher der Flansch seitlich absteht, im Wesentlichen parallel zu dem oberen Träger und dem unteren Träger, so dass das Batteriemodul in Verschieberichtung an den seitlich zueinander beabstandet verlaufenden oberen Trägern und/oder unteren Trägern im Wesentlichen linear geführt sein kann.
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Vorzugsweise ist der obere Träger mit dem unteren Träger zur Einstellung einer die Grenzlast bestimmenden Reibungskraft verspannt. Dadurch kann über eine durch die Verspannung verursachte Anpresskraft des oberen Trägers und des unteren Trägers an dem Flansch die Grenzlast eingestellt und gegebenenfalls nachträglich verändert werden, indem ein hierzu vorgesehener Klemmmechanismus entsprechend eingestellt wird. Beispielsweise kann der obere Träger mit dem unteren Träger mit einem genau definierten Anzugsmoment verschraubt sein, wobei über die Wahl des Anzugsmoments die Grenzlast variabel eingestellt werden kann, beispielsweise um die Grenzlast an verschieden stabile Batteriemodule anzupassen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Anpressfeder vorgesehen sein, die mit Ihrer Federkraft eine geeignete Verspannung und eine damit verbundene Anpresskraft bereitstellen kann.
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Besonders bevorzugt weist das Batteriemodul eine Unterschale und eine auf der Unterschale aufgesetzte Oberschale zur Aufnahme von Batteriezellen auf, wobei die Unterschale und die Oberschale gemeinsam den Flansch ausbilden. Durch das Verklemmen des Flansches können zudem die Unterschale und die Oberschale zusammengehalten werden, um die Batteriezellen vor Umwelteinflüssen zu schützen. Eine zur Bereitstellung der Grenzlast erforderliche Klemmkraft kann dadurch gleichzeitig eine Abdichtung zwischen der Unterschale und der Oberschale, vorzugsweise entlang des Flanschs, verstärken.
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Insbesondere sind die Unterschale und die Oberschale zwischen dem oberen Träger und dem unteren Träger an der einen Seite und dem oberen Träger und dem unteren Träger an der anderen Seite, insbesondere über einen von der Unterschale und der Oberschale ausgebildeten Befestigungsflansch, miteinander verbunden. Der Flansch kann dadurch auch in einem Bereich vorgesehen sein, der nicht zwischen dem oberen Träger und dem unteren Träger verklemmt ist und deswegen für eine Verbindungstechnik, beispielswiese Verschrauben und/oder Vernieten, in diesem Bereich des Flanschs genutzt werden kann. Dadurch kann auch eine ausreichend dichte Verbindung zwischen der Unterschale und der Oberschale erreicht werden, ohne dass es hierzu auf die an dem verklemmten Flanschbereich einwirkende Klemmkraft ankommt. Das Batteriemodul kann dadurch sowohl vor als auch nach einer durch einen Crash verursachten Verschiebung ausreichend abgedichtet sein.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Batteriemodul und einem Mittelpunkt, insbesondere Flächenschwerpunkt des Fahrzeugrahmens, ein Crashelement, insbesondere Crashbox, zur Dissipation von an dem Batteriemodul angreifender und die Grenzlast überschreitender Aufprallenergie durch Formänderungsarbeit angeordnet. Die von außen an dem Batteriemodul mittelbar ankommende Aufprallenergie kann dadurch nicht nur durch Reibung, sondern auch eine plastische Deformation des mindestens einen Crashelements dissipiert werden. Das Crashelement kann hierbei einen Zwischenraum überbrücken, in den das Batteriemodul bei einem ausreichend starken Crash hineingeschoben werden kann. Das Crashelement kann sich insbesondere in Schieberichtung des Batteriemoduls an einem quer zur Verschieberichtung verlaufenden Träger, insbesondere einem Längsträger oder Querträger, abstützen. Vorzugsweise ist das Crashelement mit dem Batteriemodul befestigt oder über einen Spalt beabstandet positioniert. Das Crashelement kann als deformierbarer Anschlag für das verschobene Batteriemodul dienen und dadurch insbesondere einen plastisch deformierbaren Einmal-Dämpfer ausbilden.
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Besonders bevorzugt ist ein den Fahrzeugrahmen am äußeren Rand begrenzender Außenträger zum flächigen Anschlagen an dem Batteriemodul bei einem Crash vorgesehen, wobei das Batteriemodul an dem Außenträger anliegt oder über eine vordefinierte Crashdistanz zur zumindest teilweisen Dissipation von an dem Außenträger angreifender Aufprallenergie zu dem Außenträger beabstandet positioniert ist. Der Außenträger kann in der Art eines Stoßfängers die bei einem Aufprall an einem feststehenden Hindernis, beispielsweise ein seitlich positionierter Pfahl, aufgeprägten Aufprallkräfte aufnehmen und, insbesondere flächig verteilt, an weitere Bauteile des Fahrzeugrahmens abstützen. Insbesondere kann der Außenträger eine im Wesentlichen punktförmig angreifende Aufprallkraft an dem Längsträger und/oder an dem Querträger und/oder an dem Batteriemodul flächig verteilt abstützen. Hierbei kann der Außenträger elastisch oder plastisch verformt werden und/oder dazwischengeschaltete Crashelemente und/oder Dämpfer elastisch und/oder plastisch verformen, bevor nach Überwindung der Crashdistanz die noch an dem Batteriemodul ankommende Aufprallenergie gegebenenfalls die Grenzlast übersteigt und das Batteriemodul verschiebt. Durch den Außenträger kann die Aufprallenergie verteilt und Kraftspitzen geglättet werden, so dass eine Beschädigung des Batteriemoduls bei einem Anschlagen des Außenträgers weniger wahrscheinlich ist.
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Insbesondere ist in Verschieberichtung des Batteriemoduls ein zu dem Batteriemodul beabstandetes weiteres Batteriemodul vorgesehen, wobei insbesondere das weitere Batteriemodul symmetrisch zu dem Batteriemodul verbaut ist. Dadurch ist es möglich an entgegengesetzten Seiten Aufprallkräfte abzustützen und/oder zu dissipieren. Beispielsweise kann zwischen dem Batteriemodul und dem weiteren Batteriemodul ein, insbesondere mittig vorgesehener, Zwischenraum ausgebildet sein, in den bei einem Aufprall auf der einen Seite das Batteriemodul und bei einem Aufprall an der anderen Seite das weitere Batteriemodul hinein verschoben werden kann. Vorzugsweise ist ein deformierbares Crashelement ausgestaltet an der einen Seite an dem Batteriemodul und an der entgegengesetzten Seite an dem weiteren Batteriemodul anzuschlagen, wobei insbesondere das Crashelement zwischen dem Batteriemodul und dem weiteren Batteriemodul mit dem Batteriemodul und/oder mit dem weiteren Batteriemodul verbunden ist.
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Vorzugsweise sind die Längsträger, die Querträger und das mindestens eine Batteriemodul zumindest zu einem Großteil in einem gemeinsamen Höhenbereich vorgesehen. Um eine ausreichende Stabilität und Steifigkeit zu erreichen, weisen die, insbesondere als Hohlprofile ausgestalteten, Längsträger und die Querträger eine signifikante Erstreckung in Z-Richtung, das heißt in Schwerkraftrichtung, wenn das Kraftfahrzeug mit dem verbauten Fahrzeugrahmen auf einem ebenen Untergrund abgestellt ist, auf. Vorzugsweise weisen die Längsträger und die Querträger ein Rechteckprofil auf. Die Höhe des Batteriemoduls kann im Wesentlichen der Erstreckung der Träger in Z-Richtung entsprechen oder etwas kleiner sein, so dass das jeweilige Batteriemodul leicht in rechteckigen Aufnahmebereichen zwischen den Trägern versenkt aufgenommen werden können. Der für die Träger benötigte Bauraum kann dadurch möglichst optimal für die Anordnung der Batteriemodule genutzt werden. Der Bauraumbedarf kann dadurch gering gehalten werden.
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Besonders bevorzugt ist an einer in Schwerkraftrichtung nach unten weisenden Unterseite der Längsträger und der Querträger eine Unterbodenplatte und/oder an einer in Schwerkraftrichtung nach oben weisenden Oberseite der Längsträger und der Querträger eine Innenbodenplatte befestigt. Die Unterbodenplatte kann insbesondere eine zum Untergrund weisende Panzerung für das Batteriemodul ausbilden und das Batteriemodul vor Beschädigungen von unten, beispielsweise bei einem Aufsetzen auf einem vom Untergrund abstehenden Hindernis, schützen. Die Innenbodenplatte kann einen Fahrzeuginnenraum begrenzen und das Batteriemodul vor Umwelteinflüssen von Oben schützen. Die Unterbodenplatte und/oder die Innenbodenplatte können an den Längsträgern und/oder an den Querträgern anliegen und das mindestens eine Batteriemodul abdecken.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische perspektivische Ansicht eines Fahrzeugrahmens,
- 2: eine schematische Detailansicht von oben des Fahrzeugrahmens aus 1 mit eingesetztem Batteriemodul und
- 3: eine schematische geschnittene Seitenansicht des Fahrzeugrahmens aus 2.
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Der in 1 dargestellte Fahrzeugrahmen 10 für ein elektrisch antriebbares Kraftfahrzeug kann einen Antriebsstrang, ein Fahrwerk und ein Chassis tragen. Hierzu weist der Fahrzeugrahmen 10 mehrere in einer gemeinsamen Ebene liegende Längsträger 12 und Querträger 14 auf, die im Wesentlichen rechtwinkelig miteinander verbunden sind. Am äußeren Rand des Fahrzeugrahmens 10 können Außenträger 16 vorgesehen sein, die beispielsweise in Art eines Stoßfängers Aufprallenergie bei einem Aufprall an einem Hindernis aufnehmen und flächig verteilt abstützen können. Zwischen den Längsträgern 12 und den Querträgern 14 sind rechteckförmige Aufnahmebereiche 18 ausgebildet.
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Wie in 2 dargestellt, kann in dem jeweiligen Aufnahmebereich 18 ein Batteriemodul 20 eingesetzt werden, dessen Erstreckung in vertikaler Richtung im Wesentlichen der Erstreckung der Längsträger 12 und der Querträger 14 entspricht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt das betrachtete in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs im Wesentlichen mittige Batteriemodul 20 mit ihrer seitlich nach außen weisenden Seitenfläche flächig an dem Außenträger 16 an. An einer von dem Außenträger 16 weg weisenden Rückseite des Batteriemoduls 10 ist im Wesentlichen mittig im Fahrzeugrahmen 10 ein freier Zwischenraum 22 vorgehalten.
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Wenn das Kraftfahrzeug mit einem derartigen Fahrzeugrahmen 10 an einem Hindernis aufprallt, beispielsweise seitlich an einem feststehenden Pfahl anschlägt, kann das Hindernis an dem Außenträger 16 aufprallen. Der Außenträger 16 kann mit den Längsträgern 12 und den Querträgern 14 verbunden sein und dadurch soweit versteift sein, dass zumindest bei geringeren auftretenden Aufprallenergien eine plastische Deformation des Fahrzeugrahmens 10 im Wesentlichen vermieden ist. Bei einem stärkeren Aufprall kann der Außenträger 16 seitlich verlagert werden und hierbei gegebenenfalls elastisch und/oder plastisch verformt werden. Der Außenträger 16 kann über plastisch deformierbare Crashelemente an einem parallel zum Außenträger 16 verlaufenden Längsträger 12 abgestützt sein, so dass zumindest ein Teil der Aufprallenergie durch die zur plastischen Deformation der Crashelemente erforderlichen Formänderungsarbeit dissipiert werden kann. Damit bei diesem Crash das Batteriemodul 20 nicht beschädigt wird, kann der Außenträger 16 das Batteriemodul 20 gegen eine am Batteriemodul 20 angreifende Reibungskraft in den Zwischenraum 22 hinein verschieben. Insbesondere entspricht ein einer Crashdistanz entsprechender vorgesehener Verlagerungsweg für den Außenträger 16 im Wesentlichen der in Verschieberichtung des Batteriemoduls 20 verlaufenden Erstreckung des Zwischenraums 22.
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Wie in 3 dargestellt weist das Batteriemodul 20 eine Unterschale 24 und eine auf der Unterschale 24 dichtend anliegende Oberschale 26 auf, zwischen denen die einzelnen Batteriezellen 28 aufgenommen sind. Die Unterschale 26 und die Oberschale 28 weisen aufeinander liegende Flansche 30 auf, die seitlich abstehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Batteriemodul 20 in Querrichtung des Kraftfahrzeugs verschoben werden, so dass in diesem Fall die benachbart zum betrachteten Batteriemodul 10 verlaufenden Querträger 14 jeweils einen oberen Träger 32 und einen unteren Träger 34 aufweisen, zwischen denen der jeweilige Flansch 30 des Batteriemoduls 10 reibschlüssig verklemmt ist. Der obere Träger 32 und der untere Träger 34 können mit einer definierten Anpresskraft aufeinander zu angepresst sein, um eine an dem Flansch 30 des Batteriemoduls 20 angreifende Reibungskraft einzustellen. Dadurch kann eine Grenzlast eingestellt werden, die von dem Außenträger 16 an dem Batteriemodul 10 ankommend vorliegen muss, um die angreifenden Reibungskräfte zu überwinden und eine Verschiebung des an den Langseiten der Querträger 14 geführten Batteriemoduls 10 zuzulassen. Die eingestellte Grenzlast ist niedrig genug, um eine Beschädigung des Batteriemoduls unterhalb der Grenzlast sicher zu vermeiden, und hoch genug, um durch die zu überwindende Reibung möglichst viel Aufprallenergie dissipieren zu können. Insbesondere sind in dem Zwischenraum 22 plastisch deformierbare Crashelemente vorgesehen, um ein Anschlagen des Batteriemoduls 10 an einem den Zwischenraum 22 begrenzenden Längsträger 12 zu dämpfen und Aufprallenergie zu dissipieren. Zudem kann das Batteriemodul 20 zwischen einer an einer Unterseite der Längsträger 12 und Querträger 14 befestigten Unterbodenplatte 36 und einer an einer Oberseite der Längsträger 12 und Querträger 14 befestigten Innenbodenplatte 38 geschützt aufgenommen sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann ein frontseitig und/oder heckseitig vorgesehenes Batteriemodul 20 in Längsrichtung verschiebbar ausgeführt sein, indem in analoger Weise ein Flansch 30 des Batteriemoduls 20 zwischen jeweils von einem Längsträger ausgebildeten oberen Trägern 32 und unteren Träger34 verklemmt aufgenommen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeugrahmen
- 12
- Längsträger
- 14
- Querträger
- 16
- Außenträger
- 18
- Aufnahmebereich
- 20
- Batteriemodul
- 22
- Zwischenraum
- 24
- Unterschale
- 26
- Oberschale
- 28
- Batteriezelle
- 30
- Flansch
- 32
- oberer Träger
- 34
- unterer Träger
- 36
- Unterbodenplatte
- 38
- Innenbodenplatte
