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Die Erfindung betrifft Lagersystem für Hochvoltbatterien für Fahrzeuge, insbesondere für Nutzfahrzeuge, umfassend eine an Längsträgern des Fahrzeugrahmens befestigbare Tragstruktur, welche Strukturebenen zur Aufnahme jeweils einer Hochvoltbatterie aufweist.
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Für rein elektrisch fahrende Fernverkehrsfahrzeuge ist es eine große Herausforderung, Hochvoltbatterien mit dem benötigten Energieinhalt im Fahrzeug so zu verorten, dass alle Bauraumrestriktionen und funktionellen Anforderungen von und an die Hochvoltbatterie erfüllt werden. Insbesondere sind Probleme hinsichtlich der Bauraumhöhe (wie Bodenfreiheit oder Längsträgerunterkante) und beim Zwischenachs-Packaging für Sattelzugmaschinen schwierig aufzulösen.
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Die
DE 10 2018 121 223 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Tragen mindestens einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, welche einen Fahrzeughauptrahmen aufweist. Mindestens ein Batterieträger ist an einer Längsaußenseite des Fahrzeughauptrahmens befestigt und steht in einer Vertikalrichtung nach unten über die Längsaußenseite des Fahrzeughauptrahmens über. Die Batterie ist über den Batterieträger am Fahrzeughauptrahmen aufgehängt. Dadurch werden bei immer größer werdenden Batteriegewichten die Haltestrukturen und die Batteriegehäuse immer stärker beansprucht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lagersystem für Hochvoltbatterien für Fahrzeuge, insbesondere für Nutzfahrzeugen, anzugeben, welches eine Bauraummaximierung für größere Hochvoltbatterien erlaubt und gleichzeitig eine breite Lagerbasis für die Hochvoltbatterien bietet.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
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Die Aufgabe ist mit einem Tragsystem dadurch gelöst, dass jede Strukturebene seitliche Trägerprofile aufweist und jedes Trägerprofil am unteren Ende mit eine Tragschiene zur Aufnahme der Hochvoltbatterie und am oberen Ende über eine Gusskonsole mit einem Querträger verbunden ist, wobei die Gusskonsole starr mit dem Längsträger des Fahrzeugrahmens koppelbar ist, und an der Tragschiene im Bereich des unteren Endes jedes Trägerprofils ein Lager angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Bauraum für die Hochvoltbatterien vergrößert wird. Jede Strukturebene hält die jeweilige Hochvoltbatterie von unten mit der Tragschiene, die über das Lager entkoppelt am starren Teil des Tragsystems montiert ist. Durch die stehend auf der Tragschiene gelagerte Hochvoltbatterie erfolgt eine direkte Krafteinleitung der Gewichtskraft der Hochvoltbatterie in die Lager, wodurch Festigkeitsanforderungen an ein Batteriegehäuse reduziert werden. Diese Gewichtsreduktion kann für weitere Vergrößerungen der Hochvoltbatterie und somit für eine Reichweitenvergrößerung des elektrisch fahrenden Fahrzeuges genutzt werden. Das Tragsystem ist zwischen bzw. vor/hinter den Hochvoltbatterien verortet und wird oberhalb am Längsträger des Fahrzeuges befestigt, wobei es unter die Hochvoltbatterie greift.
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Vorteilhafterweise sind die Tragschiene und das seitlichen Trägerprofil über eine Trägerkonsole zur Aufnahme des Lagers gekoppelt. Die Lagerposition ist in der Ebene des Batteriebodens verortet, wodurch eine Entkopplung zur Hochvoltbatterie erfolgt und sehr steife Tragstrukturen für die Hochvoltbatterien ermöglicht werden.
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In einer Ausgestaltung weist das Lager ein Lagergehäuse mit einem als Lagerbasis für die Hochvoltbatterie dienenden Lagerkern auf, welches über ein Klemmelement an der Trägerkonsole fixiert ist. Dadurch, dass der Lagerkern als Lagerbasis genutzt wird, indem die zu entkoppelnde Komponente an diesem verschraubt wird, dient das Lagergehäuse als Schnittstelle zu den entkoppelt gelagerten Hochvoltbatterien.
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In einer Ausführungsform ist der Lagerkern über ein Klemmelement an dem Lagerträger fixiert. Der Klemmverbund stellt dabei einen technisch einfach zu realisierenden, aber zuverlässigen Formschluss dar, weshalb auf spannungskritische Schweißverbindungen verzichtet werden kann.
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In einer Ausführungsform vergrößert sich ein Abstand der an einer Tragschiene befestigten Lager in Längsrichtung aufeinanderfolgender Strukturebenen in Querrichtung. Durch diese Anordnung der Lager, auf denen die Hochvoltbatterie steht, wird für jede Hochvoltbatterie eine asymmetrische 4-Punktlagerung realisiert. Auf zusätzliche Halterungen der Hochvoltbatterie kann verzichtet werden. Dadurch ist eine modulare Aneinanderreihung von mehreren Hochvoltbatterien hintereinander unter Verwendung von Gleichteilen möglich, da insbesondere die Lager auf Grund einer optimierten Geometrie vereinheitlicht werden können. So kann eine Ausführung des Lagers für alle Lagerpunkte verwendet werden.
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In einer Variante bilden die seitlichen Trägerprofile mit der Tragschiene und dem Querträger eine trapezförmige Strukturebene. Dies ermöglicht eine Maximierung des Bauraumes zur Lagerung der Hochvoltbatterien, da diese vor und hinter jeder Hochvoltbatterie bauraumrestriktiv eingezogen werden können.
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Es ist von Vorteil, wenn die Strukturebene zwischen den Längsprofilen X-förmig angeordnete Stabilisierungsstreben aufweist. Auftretende und entstehende Querkräfte erreichen die Längsträger über diese Stabilisierungsstreben, wodurch die Festigkeit des Lagersystems verbessert wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Stabilisierungsstreben in einem Gusskreuz mittig fixiert. Eine solche Knotenverbindung führt zur einer Verbesserung der Dauerfestigkeit des Lagersystems.
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In einer weiteren Variante weist eine erste, einem Fahrerhaus des Fahrzeuges zugewandte Strukturebene eine rechteckige Form auf, auf welche die trapezförmigen Strukturebenen folgen, wobei an der letzten trapezförmigen Strukturebene mindestens eine Auflagekonsole für einen Achslagerblock angeordnet ist. Durch die schmale Batterielagerung vor der ersten Hochvoltbatterie wird eine Kollision zwischen den Lagern und den Vorderreifen das Fahrzeuges verhindert. Die breite Batterielagerung hinten nach der letzten Hochvoitbatterie verhindert Kollisionen mit Fahrwerkskomponenten des Fahrzeuges.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Tragschiene eine L-förmigen oder T-förmigen Querschnitt zur Aufnahme der Hochvoltbatterie auf. Dabei werden die Hochvoltbatterien jeweils auf den kurzen Schenkeln der Tragschiene gelagert. So kann bei einem T-förmigen Querschnitt jede Strukturebene zwei Hochvoltbatterien einseitig halten, da jede Hochvoltbatterie zweiseitig gehalten werden muss.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Tragsystems in einer Perspektivdarstellung,
- 2 eine Ansicht einer Längsseite des Ausführungsbeispiels nach 1,
- 3 eine Ansicht einer mittleren Strukturebene des Ausführungsbeispiels nach 1,
- 4 ein Ausführungsbeispiel einer vorderen Strukturebene,
- 5 ein Ausführungsbeispiel einer hinteren Strukturebene,
- 6 ein Ausführungsbeispiel eines Lagersystemaufbaus.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Tragsystems in einer Perspektivdarstellung gezeigt. Das Tragsystem 1 dient zur Anbindung an die Längsträger 3, 5 eines Fahrzeugrahmens eines elektrisch fahrenden Nutzkraftfahrzeuges, in welchem Hochvoltbatterien 7 gelagert werden, mit welchen das Nutzfahrzeug angetrieben wird. Das Tragsystem 1 weist mehrere Strukturebenen 9, 11, 13 auf, wobei jede Strukturebene 9, 11, 13 zwei seitliche Trägerprofile 15, 17 umfasst, deren erstes Ende an jeweils einen der Längsträger 3, 5 angebunden ist, während die beiden anderen Enden, die von den Längsträgern 3, 5 weg weisen, durch eine L-Schiene 19 mit einander verbunden sind. Auf den schmalen Schenkeln 21 der L-Schiene 19 sind die Hochvoltbatterien 7 aufgesetzt.
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Das Tragsystem 1 greift somit unter die Hochvoltbatterien 7. Durch die Strukturebenen 9, 11, 13 entstehen einzelne Abschnitte zu Aufnahme je einer Hochvoltbatterie 7 (2).
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Eine mittlere Strukturebene 11 ist in 3 dargestellt, die eine trapezförmige Form aufweist. In der Mitte der Strukturebene 11 sind Innenträgerprofile 23 eingezogen, die in einem mittig liegenden Gusskreuz 25 verankert sind. Das entgegengesetzte Ende jedes Innenprofilträgers 23 ist über eine Gusskonsole 27, 29 mit je einem Ende der seitlichen Trägerprofile 15, 17 verschraubt. Zur Erhöhung der Steifigkeit der Strukturebene 11 sind die oberen Gusskonsolen 27 durch einen Querträger 31 verbunden, während die unteren Gusskonsolen 29 an einem Lagerträger 33 verankert ist, welcher starr an der L-Schiene 19 befestigt ist. Jeder Lagerträger 33 trägt ein Lager 35, welches in einem Lagergehäuse 37 auf der L-Schiene 19 im Bereich des seitlichen Trägerprofils 15 bzw. 17 befestigt ist.
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Bei dieser Ausbildung der Strukturebene 11 nehmen die L-Schienen 19 die volle Last der Hochvoltbatterie 7 auf und leiten die Kräfte über die Lager 35 an die Lagerträger 33 weiter. Durch die seitlichen Trägerprofile 17, 19 werden vertikale Kraftkomponenten über die Gusskonsolen 27, 29 in die Längsträger 3, 5 des Fahrzeugrahmens eingeleitet. Auftretende und entstehende Querkräfte erreichen die Längsträger 3, 5 über die Innenträgerprofile 23 und die Gusskonsolen 27, 29, an denen diese angreifen.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vorderen Strukturebene 9, die im Bereich des Fahrerhauses angeordnet ist. Diese Strukturebene 9 ist rechteckförmig aufgebaut und umfasst die seitlichen Profilträger 15, 17, die an einer durch die Gusskonsole 39, 41 gebildeten Verlängerung angreifen. Die beiden Gusskonsolen 39, 41 sind ebenfalls durch den Querträger 31 verbunden. Am entgegengesetzten Ende der seitlichen Trägerprofile 15, 17 greift jeweils wieder ein Lagerträger 33 an, welcher an der zur Aufnahme der Hochvoltbatterie 7 vorgesehenen L-Schiene 19 befestigt ist und jeweils ein Lager 35 trägt. Zwischen den Lagerträgern 33 erstreckt sich, an der L-Schiene 19 von unten anliegend ein Querprofil 43. Diese Strukturebene 9 ist bauraumoptimiert, um Kollisionen zwischen den Lagern 35 und nicht weiter dargestellten Vorderreifen des Nutzfahrzeuges zu verhindern.
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Auch in diesem Fall nehmen die L-Schienen 19 die volle Batterielast auf und leiten die Kräfte über die Lager 35 an die Lagerträger 33 weiter. Durch die seitlichen Trägerprofile 15, 17 werden die vertikalen Kraftkomponenten über die Gusskonsolen 39, 41 in die Längsträger 3, 5 eingeleitet. Querkräfte fallen durch die vertikale Anordnung der seitlichen Trägerprofile 15, 17 geringer aus. Diese werde, durch die Querverbindungen 31 und 43 auf die Strukturebene 9 verteilt und über die Gusskonsolen 39, 41 in die Längsträger 3, 5 eingeleitet. Zur Aussteifung ist der Querträger 31 in der Strukturebene 9 positioniert. Die Gusskonsolen 39, 41 sind so ausgeführt, dass sie zusätzlich die Aufnahme der Fahrerhauslagerung und des Kotflügelträgers übernehmen.
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Eine hintere Strukturebene 13 ist in 5 dargestellt. Deren Aufbau ist vergleichbar mit der mittleren Strukturebene nach 3. Zusätzlich erfolgt eine Funktionsintegration des hinteren Achslagerblocks 45, welcher an der Gusskonsole 27 angeschlagen ist. Die Lastaufnahme und der Kraftpfad verlaufen wie folgt: Die L-Schienen 19 nehmen die volle Last der Hochvoltbatterien 7 auf und leiten die Kräfte an den Lagerträgern 33 weiter. Durch die seitlichen Trägerprofile 15, 17 werden die vertikalen Kraftkomponenten über die Gusskonsolen 27, 29 und die Achslagerblöcke 45 in die Längsträger 3, 5 eingeleitet. Auftretende Querkräfte erreichen die Längsträger 3, 5 durch die Innenträgerprofile 23 und die Achslagerblöcke 45. Durch die Funktionsintegration der Achslagerblöcke 45 wird eine weitere Gusskonsole zur Aufnahme und Weiterleitung der Querkräfte eingespart. Zur Aussteifung der Struktur ist der Querträger 31 in der Strukturebene 13 positioniert.
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Jede Hochvoltbatterie 7 ist auf 4, aus einem Elastomer bestehenden Lagern 35 gelagert, da die Lager 35 unterhalb der Hochvoltbatterie 7 verortet sind. Es erfolgt eine asymmetrische 4-Punkt-Lagerung für jede einzelne Hochvoltbatterie 7, da die Lager 35 von zwei aufeinanderfolgenden Hochvoltbatterien 7 in Fahrtrichtung nicht hintereinander angeordnet sind, sondern in Querrichtung. An der Vorderseite einer einzelnen Hochvoltbatterie 7 ist der Abstand der Lager 35 geringer als zwischen zwei Lagern 35 an der Rückseite der Hochvoltbatterie 7. Jede Hochvoltbatterie 7 besitzt die gleiche asymmetrische Batterielagerung. Durch diese Anordnung der Lager 35 in Fahrzeugquerrichtung reduziert sich der Bauraumbedarf in Fahrzeuglängsrichtung.
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In 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Lagersystemaufbaus mit konträrer Wirkweise dargestellt. 6a zeigt den Lagerträger 33, welcher mit einem seitlichen Trägerprofil 15 und einer L-Schiene 19 verbunden ist. Auf einem in Richtung der L-Schiene 19 sich erstreckenden Konsole 47 des Lagerträgers 33 ist das Lager 35 mit seinem Lagergehäuse 37 positioniert. Das Lagergehäuse 37 ist mit Klemmelementen 49 mit der L-Schiene 19 verbunden. 6b zeigt die andere Seite der Anbindung des Lagers 35 an der L-Schiene 19. Eine Draufsicht ist in 6c dargestellt. Zwischen dem Lagergehäuse 47 und der Hochvoltbatterie 7 ist eine Klemmscheibe 51 positioniert. Im Schnitt A-A der 6d ist erkennbar, dass im Inneren des Lagers 35 ein Lagerkern 53 vorhanden ist, der in ein Elastomer 57 eingebunden ist. Der Schnitt B-B der 6e zeigt die formschlüssige Klemmanbindung 55 des Lagergehäuses 47 an das L-Schiene 19. Durch ein solches Lagersystem gelingt ein formschlüssiger, kraftlinienoptimierte Anschluss der Hochvoltbatterie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018121223 A1 [0003]
